Electronique Générale - La Diode à Jonction

Ce document couvre les principes fondamentaux de la diode à jonction, un composant électronique essentiel. Il s'adresse aux étudiants en électronique souhaitant comprendre la structure, le fonctionnement, les caractéristiques électriques et les modèles équivalents de la diode, ainsi que son comportement sous différentes polarisation et températures.

Introduction : La Diode à Jonction

Une diode est un dipôle passif non linéaire, polarisé, dont le fonctionnement macroscopique est assimilable à celui d’un interrupteur commandé qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens.

La Jonction PN

Définition

Une jonction est la limite de séparation entre un semi-conducteur de type N et un semi-conducteur de type P.

Jonction PN non polarisée

Au voisinage de la jonction, les électrons libres (porteurs majoritaires) de la zone N franchissent la jonction et diffusent vers les trous (porteurs majoritaires) de la zone P, laissant en place des ions fixes (positifs côté N, négatifs côté P). Cette diffusion crée un courant de diffusion des porteurs majoritaires, noté IM.

Ce phénomène s’arrête lorsque le champ électrique Ed, créé par les ions fixes, s’oppose au mouvement des porteurs. Il apparaît alors une différence de potentiel V0, appelée barrière de potentiel, qui maintient les porteurs majoritaires dans leurs zones respectives, sauf ceux ayant une énergie W0 = eV0 suffisante pour franchir la barrière.

Le courant dû aux porteurs majoritaires est donné par :

I_M = I_0 exp(-eV0 / KT)

où :

• e : charge de l’électron = -1,6 × 10⁻¹⁹ C
• K : constante de Boltzmann = 1,38 × 10⁻²³ J/K
• T : température absolue en kelvin (°K)
• V0 : barrière de potentiel

Parallèlement, la barrière favorise le passage des porteurs minoritaires (électrons côté P, trous côté N), conduisant à un courant de saturation très faible, noté Is, indépendant de V0.

Équilibre des courants

Les deux courants antagonistes (diffusion des majoritaires et conduction des minoritaires) s’équilibrent, leur somme est nulle en régime permanent sans champ électrique extérieur :

I_M - I_s = 0

Polarisation directe

Si on applique une tension VD positive sur la jonction (en augmentant le potentiel côté P), la barrière passe de V0 à V0 - VD. Le courant des porteurs majoritaires devient :

I_M = I_0 exp(-e(V0 - VD) / KT) = I_s exp(eVD / KT)

En tenant compte du courant inverse des porteurs minoritaires, le courant total direct dans la diode est :

I_D = I_s [exp(eVD / KT) - 1] ≈ I_s exp(eVD / KT)

Polarisation inverse

Si la tension appliquée est inversée (VD négatif), le champ électrique interne est renforcé, empêchant le passage des porteurs majoritaires. La barrière passe à V0 + VD. Le courant inverse Ii, dû aux porteurs minoritaires, circule :

I_i = -I_s [exp(-eVD / KT) - 1] ≈ -I_s

Effet de la température

• Pour VD positif, la diode a un coefficient de température négatif d’environ -2 mV/K.
• Pour VD négatif, le courant de saturation Is varie rapidement avec la température, plus fortement pour le germanium que pour le silicium.
• Dans le silicium, Is double tous les 6 °C.

Caractéristiques électriques

Caractéristique courant-tension

Le courant est négligeable pour VD négatif (jusqu’à la tension de claquage VC). Au-delà d’un seuil V0, le courant direct croît rapidement avec VD.

Le seuil V0 dépend du matériau :

• Environ 0,2 V pour le germanium
• Environ 0,6 V pour le silicium

La caractéristique directe s’écrit :

I = I_s [exp(VD / VT) - 1]

avec :

VT = KT / e

À 27 °C (T = 300 K), on a :

VT ≈ 26 mV

En polarisation inverse, au-delà de la tension de claquage, le courant augmente brutalement, ce qui peut détruire la diode si non limité.

Résistance différentielle (dynamique)

La résistance dynamique rd est l’inverse de la pente de la caractéristique au point de fonctionnement (VD, ID) :

rd = dv / di = (KT / e) / I_D

Elle varie fortement avec la tension et le courant de polarisation.

Schémas équivalents de la diode

Diode idéale

On néglige la tension de seuil et la résistance interne. La diode se comporte comme un interrupteur parfait :

• v = 0 si i > 0 (conduction)
• i = 0 si v < 0 (blocage)

Diode avec seuil

On tient compte du seuil V0 mais pas de la résistance interne :

• Si la diode est polarisée en directe : v = V0
• Si la diode est polarisée en inverse (v < V0) : i = 0

Diode avec seuil et résistance

On ajoute la résistance dynamique r, utile pour l’étude des petits signaux alternatifs autour du point de polarisation continu :

Cette résistance est considérée constante pour de faibles variations du signal.

Point de fonctionnement

Considérons un circuit avec une diode et une résistance R alimentés par une source E. Le point de fonctionnement (VM, IM) est l’intersection entre :

• La caractéristique non linéaire de la diode : VM = V0 + r IM
• La droite de charge : VM = E - R IM

On peut déterminer analytiquement :

IM = (E - V0) / (R + r)

et

VM = V0 + r IM

Application pratique

Soit un circuit avec :

• Courant souhaité I0 = 1 mA
• Tension source U0 = 2 V
• Courant de saturation Is = 10⁻¹¹ A
• Constantes : e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C, K = 1,38 × 10⁻²³ J/K, T = 179 °C

1. Modèle exponentiel

a) Calcul de la chute de tension aux bornes de la diode :

I = I_s (exp(eUD / KT) - 1) ≈ I_s exp(eUD / KT)

Donc :

UD = (KT / e) × ln(I / I_s) = 0,72 V

b) Calcul de la résistance R :

UD = U0 - R I0  ⇒  R = (U0 - UD) / I0 = 1,28 kΩ

c) Résistance dynamique de la diode au point de fonctionnement :

rd = (KT / e) / I0 = 39 Ω

2. Modèle simplifié

Avec UD = 0,7 V, on calcule :

I0 = (U0 - UD) / R = 1,016 mA

Ce qui représente une différence de 1,6 % par rapport au modèle exponentiel.

Glossaire des termes clés

• Diode : Composant électronique qui laisse passer le courant dans un seul sens.
• Jonction PN : Interface entre un semi-conducteur de type P et un semi-conducteur de type N.
• Barrière de potentiel (V0) : Différence de potentiel à la jonction qui empêche le passage des porteurs majoritaires.
• Porteurs majoritaires : Charges électriques dominantes dans une région (électrons en N, trous en P).
• Porteurs minoritaires : Charges électriques minoritaires dans une région (électrons en P, trous en N).
• Courant de saturation (Is) : Courant très faible dû aux porteurs minoritaires, indépendant de la tension.
• Polarisation directe : Application d’une tension qui réduit la barrière, permettant le passage du courant.
• Polarisation inverse : Application d’une tension qui augmente la barrière, bloquant le courant des porteurs majoritaires.
• Résistance dynamique (rd) : Résistance de la diode au point de fonctionnement, inverse de la pente de la caractéristique I-V.
• Modèle exponentiel : Modèle mathématique précis décrivant le courant en fonction de la tension appliquée.
• Modèle simplifié : Modèle approximatif tenant compte d’un seuil constant et négligeant la résistance interne.
• Tension de claquage (VC) : Tension inverse au-delà de laquelle la diode est détruite par un courant excessif.

Points clés à retenir

• La diode à jonction fonctionne comme un interrupteur unidirectionnel, avec un seuil de tension appelé barrière de potentiel.
• Le courant dans une diode dépend exponentiellement de la tension appliquée en polarisation directe.
• En polarisation inverse, le courant est très faible jusqu’à la tension de claquage.
• La résistance dynamique varie fortement selon le point de fonctionnement et est importante pour l’analyse des petits signaux.
• Différents modèles équivalents permettent de simplifier les calculs selon le niveau de précision requis.
• La température influence fortement le courant de saturation et la tension de seuil de la diode.
• Le point de fonctionnement d’une diode dans un circuit peut être déterminé graphiquement ou analytiquement.
• Les modèles exponentiel et simplifié donnent des résultats proches, avec une différence d’environ 1,6 % dans l’exemple étudié.