Fstm deust mip-e141_cee_chap_vi_les diodes

Cours exposé
FSTM : DEUST - MIP E141 : Circuits Électriques et Électroniques
email : nasser_baghdad @ yahoo.fr
UNIVERSITEHASSANIICASABLANCA–FACULTEDESSCIENCESETTECHNIQUESMOHAMMEDIA
DEUST-MIP–MODULE:E141–CIRCUITSÉLECTRIQUESETÉLECTRONIQUES
PR.A.BAGHDAD-DEPARTEMENTGENIEELECTRIQUE
Pr . A. BAGHDAD 1

FSTM : DEUST - MIP E141 : Circuits Électriques et Électroniques Pr . A. BAGHDAD 2
Contenu du programme
Chapitre I : Généralités
Chapitre II : Régime continu
Chapitre III : Régime alternatif sinusoïdal
Chapitre IV : Les quadripôles
Chapitre V : Les filtres passifs
Chapitre VI : Les diodes
Chapitre VII : Le transistor bipolaire
Chapitre VIII : L’amplificateur opérationnel
Partie A
Circuits électriques
Partie B
Circuits électroniques

Chapitre VI

I. Généralités sur les diodes
II. Fonctionnement d’une diode à jonction
III. Applications de la diode à jonction
Sommaire

1°) Définition de la diode à jonction
2°) L’anode et la cathode
3°) Fonctionnement
4°) Le seuil de la jonction
5°) Tension de claquage
6°) Les différents type de diode
7°) Utilisation des diodes
8°) Conclusion

► Une diode est le plus simple des composants dit actif, qui fait partie de la famille
des semi-conducteurs.
► Les diodes standards sont essentiellement fabriquer soit du silicium, ou le
germanium qui est désormais bien moins utilisé.
► Le silicium : Le silicium, est un élément qui se trouve abandonnement dans la
nature,
► On le trouve, principalement, associer à l’oxygène pour former la silice,
constituant de certaines roches, et des innombrables grains de sable de nos plages
et de nos rivières.
► Le silicium est connu pour être un bon conducteur de l’électricité ainsi il offre des
caractéristiques électriques exceptionnelle entre celles des autre conducteurs,
comme les métaux, et celles des isolants : on l’appelle un semi-conducteur.
1°) Définition de la diode à jonction

► En incorporant, au silicium pur, de très faibles proportions d’autres éléments
convenablement choisis (phosphore, gallium, etc.) on modifie ses propriétés.
► Par cette méthode, on sait fabriquer deux types de semi-conducteurs : le type P
pour « positif », et le type N pour « négatif ».
► Une diode est un petit cristal rassemblant cote à cote, une zone P et une zone N, la
mince région de transition, de quelques micromètres d’épaisseur, constitue la
jonction PN.
► Une diode fait référence à tout composant électronique doté de deux électrodes.
► Il s'agit d'un composant polarisé qui possède donc deux électrodes, une anode et
une cathode.
A K

► La connexion du cristal qui sort de la zone P, appelée l’anode, elle est symbolisée
par la lettre A ; l’autre est la cathode, qu’on représente par la lettre K.
► Pour les distinguer sur la diode, on imprime, sur le boitier, un anneau situé à
proximité de la cathode.
2°) L’anode et la cathode

► Une diode permet de contrôler la circulation du courant.
► On peut dire qu’une diode laisse passer le courant lorsqu’elle est branchée en
polarisation directe et bloque le passage du courant lorsque la polarisation est
inverse, à une tension donnée.
► Cette caractéristique permet de redresser un courant alternatif, pour ne laisser
passer que l'alternance positive ou que l'alternance négative (selon l'orientation de la
diode).
Symbole :
La diode est représentée par son symbole normalisé :
3°) Fonctionnement
A K

► Il correspond à la tension de seuil ou la diode commence à conduire dans le sens
passant, c’est à dire qu’il faut un minimum de tension directe pour rendre la diode
conductrice : c’est le seuil de la jonction.
► Pour une diode au silicium, ce seuil est de l’ordre de 0,6 V.
► Tant que la diode reste passante, la tension à ses bornes garde une valeur voisine
de 0,6 à 0,7V.
4°) Le seuil de la jonction

► En polarisation inverse, on constate que si l’on dépasse une certaine valeur de
tension, il apparait également un courant : c’est le claquage de la jonction (tension de
claquage).
► Ce phénomène est du soit à l’effet d’avalanche, soit à l’effet Zéner. le claquage
n’est pas destructif à condition que le courant soit limité à une valeur raisonnable par
une résistance.
5°) Tension de claquage
polarisation inverse Polarisation directe
Vclaquage
La valeur Vclaquage pour une diode à jonction est de l’ordre de – 150 à 300 V

6°) Différents type de diodes
► Il existe plusieurs catégories de diodes semi-condutrices, parmi elles, on y trouve :
■ la diode à jonction PN
■ la diode Zener
■ la diode DEL (ou LED)
■ la photodiode
■ la diode Tunnel
■ la diode schottky
■ la diode varicap
■ la diode Impatt,
■ la diode PIN
■ la diode Gunn, etc… Diode Schottky
DEL ou LED
Diode à jonction
Diode Tunnel
Diode Zener
Photodiode
Diode Varicap

Remarque :
Les composants électroniques sont fabriqués avec des matériaux semi-conducteurs
purs du groupe IV tels que le silicium, germanium … ou de semi-conducteurs
composites combinant un ou plusieurs éléments du groupe : III-V ou II-VI ou I-VII ou
IV-VI ou V-VI ou II-V…
Les semi-conducteurs composites présentent un grand intérêt en raison de leurs
propriétés : meilleurs mobilités, robustesse, conductivités thermiques élevées, bruit,
puissance, la …
Exemple : groupe III-V
La colonne III (bore, gallium, aluminium, indium, etc.)
La colonne V (arsenic, antimoine, phosphore, etc.)
Alliages binaires tels que : AsGa, AsIn…
Alliages ternaires tels que : InGaAs, AlGaAs…
Alliages quaternaires tels que : AlGaInP, InGaAsP…
Alliages quinaires tels que : GaInNAsSb, GaInAsSbP…
Le cours se limitera à l’étude du fonctionnement de la diode à jonction.
Semi-conducteurs composites.

Avec tous ces types de diodes, on constate que la diode à plusieurs domaines
d’utilisation :
■ le redressement et le filtrage des signaux, cette fonction rencontré surtout dans les
alimentations.
■ détecte les amplitudes des tensions pour aider au référencement de la tension.
■ elle peut servir de protection contre les surtensions.
■ la régulations des tensions simples pour les différant montages.
■ peut générer de signaux à haute fréquence.
■ elle permet d’émettre de la lumière (LED) pour l’affichage…etc.
7°) Utilisation des diodes

La diode se présente comme un composant électronique très imposant et en même
temps très utile pour les différents montages car son domaine d’utilisation est très
varié et plus pratique.
8°) Conclusion

1°) Symbole et convention
2°) Linéarité
3°) Caractéristique I(V) réelle
4°) Équation électrique de la diode
5°) Polarisation de la diode
6°) Montage pratique
7°) Association de diodes
8°) Influence de la température
9°) Linéarisation de la caractéristique I(V)
10°) Point de fonctionnement
11°) Différents classes de fonctionnement
12°) Différents modèles linéaires
13°) Modèle idéal

■ L’extrémité de la flèche est au potentiel VA de l’Anode.
■ L’origine de la flèche est au potentiel VK de la Cathode.
■ V est la tension aux bornes de la diode (ou d.d.p.), signifie V = VA – VK
Symbole
Convention de signe
V = VA – VK = VAK
Tension :
2 bornes ou 2 électrodes :
A : Anode
K : Cathode
1°) Symbole et convention
A K
A K

0 VVV KA 0 VVV KA
Sens du Courant et signe de tension
I circule de A vers K I circule de K vers A
Tension V positive Tension V négative
Les deux flèches, de
tension et du courant,
sont dans le sens
contraire
Les deux flèches, de tension
et du courant, sont dans le
même sens
0V 0V
C’est la convention récepteur : la diode est un récepteur actif
V = VA - VK
I
A K
V = VA - VK
I
A K

Dipôle linéaire : résistance
I = f(V) ce que l’on veut
sauf une droite
Dipôle non linéaire : diode
I = f(V) est une droite
A B
V = VA - VB
I R
I
V
1/R
I
V
2°) Linéarité
V = VA - VK
I
A K

I = f(V) ce que l’on veut
sauf une droite
I ~ 0 V < 0
I = f(V) est une droite
I = - V / R V < 0
I
V
1/R
I
V
La diode est un dipôle non linéaire et non symétrique
A B
V = VA - VB
IR
V = VA - VK
I
A K

dynamiquecerésis
I
V
Rd tan:



GeàV
SiàV
4,02,0
7,05,0
0
0


 10qcqàqcqderd
diodeladeseuildetensionV :0
Grandeurs Caractéristiques de la diode :
3°) Caractéristique I(V) réelle
I
V
V0
V > 0
I
A K
V < 0
I
A K
ΔV
ΔI
En inverse
En direct

Is : courant de saturation ~ (qcq nA) négligeable
q = │e-│charge élémentaire de l’électron = 1,6 10-19 C
K : constante de Boltzmann = 1,38 10-23 J/K
T : température (K)












 1exp
KT
V
qII s
275)()(  CTKT
 
 
mVtéCàudevaleurlaet
q
kT
uposeOn
liquideHeliumK
liquideazoteK
KCetKC
TT 25tan25
?4
?77
3002529520
















 1exp
T
s
U
V
II
4°) Équation électrique de la diode

5°) Polarisation de la diode
Polarisation directe ou positive
Polarisation inverse ou négative
P NA K
+ -
A K
+ -
VA > VK
P NA K
+-
A K
+-
VA < VK

Polarisation directe ou positive
E : tension d’alimentation
R : Résistance limitatrice du courant
D : diode à jonction PN
VA > VK ===> V > 0
Les flèches de I et de V sont contraires  VA > VK
E = R I + V  V = E – R I ≠ E







KT
V
qII s exp
V < E : Il y a de la chute de
tension dans la résistance R
6°) Montage de polarisation de la diode
+
-
E : f.e.m
R
E > 0 VD
I
A
K

Discussion :
■ Le + de E est de côté de A (l’anode) et le – de E et de côté de K (la cathode), VA > VK
 V > 0 la diode est donc polarisée positivement ou en direct.
■ La diode n’est conductrice qu’à partir de V > V0 . Elle est dite également passante
ou allumée.
■ A partir de V > V0 , elle se comporte comme une très faible résistance : le semi
conducteur peut être considéré dans ce cas comme étant un conducteur.
■ En revanche, si 0 < V < V0 , la diode est bloquée en direct, elle se comporte comme
une très forte résistance : le semi conducteur peut être considéré dans ce cas comme
étant un isolant.
* DBD si 0 < V < Vs
* DCD si V > Vs
I
V
V0
0 < V < V0
V > Vs
DBD DCD 






KT
V
qII s exp

Les flèches de I et V ont le même sens  VA < VK
VA < VK ===> V < 0
sII 
E = RI - V soit V = - E + RI = - E car I = 0 et V < 0 car E > 0
+
-
E : f.e.m
R
E > 0
Il n’y a aucune chute
de tension dans la
résistance R
Polarisation inverse ou négative
VD
I
A
K

  0 IqcqnAII s
I
V
DBI si V < 0
■ Le - de E est de côté de A (l’anode) et le + de E et de côté de K (la cathode), VA < VK
 V < 0 la diode est donc polarisée négativement ou en inverse.
■ La diode est non conductrice ou non passante. Elle est dite également bloquée ou
éteinte.
■ A partir de V < 0 , elle se comporte comme une très forte résistance ou résistance
de fuite de forte valeur : le semi conducteur peut être considéré dans ce cas comme
étant un isolant.
Discussion :

Variante :
sII 
E = - R I + V soit V = E + R I = E car I = 0 et V < 0 car E < 0
Les flèches de I et V ont le même sens  VA < VK
Il n’y a aucune chute
de tension dans la
résistance R
VA < VK ===> V < 0
+
-
E : f.e.m
R
VD
I
A
K
E < 0

Association en série
Aucun intérêt pratique car le courant I traverse la diode dont la tension de seuil est la
plus faible. Une diode en trop.
Association en parallèle
Si V > V01 + V02  Vs = V01 + V02
I
V
D1
D2 Déq
V01 + V02V01 V02
R
Les diodes ne sont conductrices
qu’à partir de V > V01 + V02
7°) Association de diodes
+
- E V
D1
I A1
K2
D2
V1
V2
+
-
E V
R
D1
I
A
K
D2
ou

La caractéristique se rapproche de l’axe des courants quand T augmente
       TT
VVetIITT TT 00' '
' 
Pour une tension V fixe, le courant augmente
8°) Influence de la température
I
V
T’
T
I(T)
I(T’)
V0(T’)V0(T’)

IrVVVV
abscissesdesEchelle
d 0'''
:
I
VV0
I
V
V0
On néglige
l’effet du
coude linéarisation
Équation d’une droite







KT
V
qII s exp
0' VV  IRV d''
V
9°) Linéarisation de la caractéristique I(V)
Équation électrique

Une diode est un récepteur actif, elle est
symbolisée par le circuit électrique suivant :
V0 : f.c.e.m.
rd : résistance interne modélisant l’effet joule
Diode
Circuit électrique équivalent d’une diode
I
VV0
Circuit électrique
+
- V0
Rd
I
V
IRVV d 0

La diode à jonction PN est un récepteur actif, la tension de seuil V0 dans le schéma
électrique équivalent doit être obligatoirement une f.c.e.m.
Le courant I de conduction direct doit être reçu par la borne + de la V0 car c’est une
f.c.e.m.
+
-
E V
R
D
I
A
K
rd
V0
+
+
-
E V
R
I
A
K
Circuit équivalent
-
E : f.e.m
+
-
V0 : f.c.e.m
+
-
Générateur E : émetteur actif Diode V0 : récepteur actif
10°) Point de fonctionnement
rdri

► On utilise la droite de charge du générateur (ou du circuit).
► L’intersection de cette droite avec la caractéristique de la diode donne le point de
fonctionnement.
directenonpolarisaticarV
kT
q
IIdiodeladetiqueCaractéris
R
VE
IRIEVVVRIEgénérateurdutiqueCaractéris
s
AK









exp:
:
La diode fonctionne en polarisation directe uniquement
+
-
E
R
RD
V0
+
+
-
E V
R I
Circuit
équivalent
-VD
I
A
K
A
K
- Point de fonctionnement
- Point de polarisation
- Point de repos
I
VV0
R
E
I 
E
I
VV0
R
E
I 
E
Courbe réelle Modèle linéaire

I
V
V
I
Classe A
Classe B
I
V
Classe C
La diode conduit durant une demi
période du signal d’entrée.
La diode conduit durant moins d’une
demi période du signal d’entrée.
La diode conduit en permanence
11°) Différents classes de fonctionnement

A K A K
V
I
Caractéristique inverse
Caractéristique directe
V0
V0En direct :
+ -
V V = V0 + Rd I
Rd
II

A K
En direct :
V
A K
V0
+ -
V = V0 + Rd I
Rd
II
En inverse :
A K
V = Vmax < 0
I = 0
A K
V
I

12°) Modèles linéaires
VF
A K A K
V
I
V0
V0+ -
V = V0
I
En direct :

A K
En direct :
V
A K
V0
+ -
V = V0
II
En inverse :
A K
V = Vmax < 0
I = 0
A K
V
I

A K A K
V
I
0
En direct :
V V = V0 + Rd I
Rd
II

A K
En direct :
V
A K
V = Rd I
Rd
II
En inverse :
A K
V = Vmax < 0
I = 0
A K
V
I

13°) Modèle idéal
A K A K
V
I
0

A K
En direct :
V
I
En inverse :
A K
V = Vmax < 0
I = 0
A K
V
I
A K
V = 0
I = Imax

A K
A K A K
A K A K
En direct : V > 0
En inverse : V < 0
CC
CO
V = 0V
I = 0
V
Imax
V max
I
I
P = V . I = 0
P = V . I = 0
Une diode idéale peut être considérée comme un interrupteur électronique qui ne
dissipe aucune puissance.
A K
interrupteur électronique

1°) Redressement simple alternance
2°) Redressement double alternance avec 2 diodes
4°) Circuit d’écrêtage
5°) Circuit limiteur
6°) Caractéristiques des signaux périodiques
7°) Redressement et filtrage

1°) Redressement simple alternatif
et)
temps+Emax
-Emax
mono
alternancee(t) s(t)
st)
temps+Smax
-Smax
e(t) = E sinωt
2°) Redressement double alternatif avec 2 diodes
et)
temps+Emax
-Emax
double
alternance
avec 2 diodes
e(t) s(t)
e(t) = E sinωt st)
temps
+Smax
-Smax
3°) Redressement double alternatif avec 4 diodes
et)
temps+Emax
-Emax
double
alternance
avec 4 diodes
e(t) s(t)
e(t) = E sinωt st)
temps
+Smax
-Smax

Principe
vet)
temps
+E
-E
mono
alternance
ve(t) vs(t)
vst)
temps
+E
-E
ve(t) = E sinωt
Montage pratique
Redressement simple alternance
1°) Redressement simple alternance
D
(1) (2)
RSecteur
230 V
~
eg vet) vst)
ve(t) = E sinωt
A K

Tracé de Vs(t)
CCpassanteD
vvealors
T
tsi KA


:
0
2
0
CObloquéeD
vvealorsTt
T
si KA


:
0
2
ve(t)
temps
+ E
- E
vs(t)
ve(t) = E sinωt
ve > 0
ve < 0
  0tvs   tvtv es 
CC
Rvet) vst)
CO
Rvet) vst)

Tracé de Vs = f(Ve)
ve > 0  vs = veve < 0  vs = 0
+ E
- E
- E + E
vs
ve
Courbe de transfert direct en tension

Principe
Montage pratique
Redressement double alternance à 2 diodes
temps
+E
-E
vet)
temps
+E
-E
double
alternance
ve(t) vs(t)
ve(t) = E sinωt
vst)
(1)
v1 > 0 et v2 < 0
Secteur
230 V
~ eg
vs
D1
D2
(2)
v1
R
v2
Transformateur à point milieu
A1 K1
A2 K2
v1(t) = E sinωt
et
v2(t) = E sin(ωt+π)
v2(t) = E sin(ωt+π)

   CObloquéeDetCCpassanteD
vetvalors
T
tsi
::
00
2
0
21
21 
v1(t)
temps
+ E
- E
vs(t)v2(t)
v1 > 0
et
v2 < 0
  CCpassanteDetCObloquéeD
vetvalorsTt
T
si
::
00
2
21
21 
   tvtvs 2   tvtvs 1
vs
CC
CO
v1
Rv2
CO
CC
v1
Rv2
Tracé de Vs(t)

et)
temps
+E
-E
double
alternancee(t) s(t)
e(t) = E sinωt
st)
temps
+E
-E
Redressement double alternance à 4 diodes
A
NM
B
vs
D1 D2
D4 D3
(1) (2)
ve
Secteur
230 V
~ eg
Mono-transformateur
ve(t) = E sinωt
Principe
Montage pratique

   
bloquéesDetDetpassantesDetD
vetvetealors
T
tsi BA
::
0
2
0
3142

ve(t) vs(t)
temps
+ E
- E
ve(t) = E sinωt
ve > 0
ve < 0
   
passantesDetDetbloquéesDetD
vetvetealorsTt
T
si BA
::
0
2
3142

   tvtv es    tvtv es 
A
NM
B
vs
CO
CC
CC
CO
ve
A
NM
B
CC
CO
C0
CC
v
ve
R R
Tracé de Vs(t)

Courbe de transfert direct en tension
ve > 0  vs = veve < 0  vs = - ve
+ E
- E
- E + E
vs
ve

4°) Circuit d’ecrêtage
+E
vs(t)
te
-E
vet)
temps
+E
-E
écrêteurve(t) vs(t)
ve(t) = E sinωt
vs(t)~ ve(t) +
-E0
R
ve(t) = E sinωt
Principe
Montage pratique

Le + de côté de K
Le – de côté de A
CODBVV KA 
Le - de côté de K
Le + de côté de A
CCDPVV KA 
vs(t)~ ve(t)
+
-
E0
R
vs(t~ ve(t) +
-E0
R
CO CC
  0Etvs    tvtv es 
Si ve < E0 alors vs = E0Si ve > E alors vs = ve

Si e < E0 alors s = E0
+E
- E
temps
E0
ve > E0
ve < E0
ve(t) vs(t)
Tracé de Vs(t)

Circuit écrêteur
+ E
- E
- E + EE0
E0
vs
ve
Si ve < E0 alors vs = E0 Si ve > E alors vs = ve

5°) Circuit limiteur
+ E
vs(t)
tem
E1
E2
- E
vet)
temps
+E
-E
limiteurve(t) vs(t)
ve(t) = E sinωt
~ +
-E2
R
+
-
E1
D1
D2
vs(t)ve(t)
Principe
Montage pratique

Si e > E1 > E2 alors e = E1
Si e > E1 et e > E2 alors e = E1
Si e < E2 < E1 alors e = E2
Si e < E2 et e < E1 alors e = E2
Si E2 < e < E1 alors e = s
Si e < E1 et e > E2 alors e = s
Si ve > E1 > E2 D1 P D2 B vs = E1
Si ve < E2 < E1 D1 B D2 P vs = E2
Si E2 < ve < E1 D1 B D2 B vs = ve
E2
E1
+ E
- E
ve > E1 > E2
E2 < ve < E1
ve < E2 < E1
temps
ve(t) vs(t)
Tracé de Vs(t)

+ E
- E
- E + E+ E1
vs
ve+ E2
+ E1
+ E2
Si ve > E1 et ve > E2  vs = E1Si ve < E1 et ve < E2  vs = E2 Si ve < E1 et ve > E2  vs = ve

Cas particulier :
Si le signal est sinusoïdal, s(t) = Smax cos(ω t), on obtient : 2
0 maxS
SetS effmoy 
Valeur moyenne :
6°) Caractéristiques des signaux périodiques
Valeur efficace :
   
T
moy dtts
T
stsS
0
1
 
T
eff dtts
T
S
0
21
Facteur de forme :
Taux d’ondulation :
moy
eff
S
S
F 
12
 F
22
2
2
2
2
222
1
1




F
S
S
S
S
SSScomme
S
S
moy
ond
moy
eff
ondmoyeff
moy
ond

7°) Redressement et filtrage
vet)
temps
+E
-E
redressement
et filtrage
ve(t) vs(t)
vst)
temps
V
ve(t) = E sinωt
Entrée
alternative
sinusoïdale
vs(t) = V = cte
Sortie
continue
Principe

Redressement simple alternance Principe d’un chargeur de batterie
vs
D
(1) (2)
RveSecteur
230 V
~ eg
C
+
-
Transformateur
abaisseur
Ve(t) =VMax sinωt = 12√2 sinωt
-
12 V
τ = RC la constante de temps du circuit « filtre passe bas »
Signal alternatif
Ondulation = ∞
Signal monoalternance
Ondulation = 1,21
Signal continu
Ondulation = 0
Le passage d’une ondulation infinie à nulle est impossible, le passage par un
redressement simple (1,21) ou double (0,48) est indispensable. Mieux avec le double.

V
vs(t)
RC '' RC '''' RC
CCCcar  '''''' 
temps
Vond
rapidetrèseDéchRC
lentetrèseDéchRC
arg0
arg





temps
+ E
- E
e1(t)
T
temps
+ E
- E
e2(t)
T
temps
+ E
- E
e3(t)
T
Signal alternatif sinusoïdal
Signal redressement mono alternance
Signal redressement double alternance

Fin du chapitre VI

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