Qu'est-ce qu'une diode semi-conductrice, les types de diodes et un graphique de la caractéristique volt-ampère.

La diode à l'état solide est largement utilisée en génie électrique et en électronique. Avec son faible coût et son bon rapport puissance/taille, il a rapidement remplacé les dispositifs à vide d'application similaire.

Construction et fonctionnement d'une diode semi-conductrice

Une diode à semi-conducteur est constituée de deux régions (couches) faites d'un semi-conducteur (silicium, germanium, etc.). Une région a un excès d'électrons libres (semi-conducteur n), et une autre en manque (semi-conducteur p) - ceci est obtenu en dopant le matériau de base. Entre les deux se trouve une petite zone dans laquelle un excès d'électrons libres du pôle n "couvre" les trous du pôle p p (recombinaison par diffusion), et il n'y a pas de porteurs de charge libres dans cette région. Lorsqu'une tension continue est appliquée, la région de recombinaison est petite, sa résistance est faible et la diode transporte du courant dans cette direction. Lorsqu'une tension inverse est appliquée, la zone sans porteur augmente et la résistance de la diode augmente. Aucun courant ne circule dans cette direction.

Types, classification et graphiques dans les circuits électriques

En général, une diode est indiquée dans un schéma par une flèche stylisée indiquant le sens du courant. Une représentation graphique conventionnelle (CSR) d'un appareil contient deux bornes - anode et cathodeLes semi-conducteurs bipolaires sont reliés directement aux côtés plus et moins du circuit, respectivement.

Il existe de nombreuses variétés de ce dispositif semi-conducteur bipolaire, qui peuvent avoir un DSC légèrement différent selon leur utilisation.

Stabilitrons (Diodes de Zener)

Un stabilitron est un dispositif semi-conducteurIl fonctionne avec une tension inverse dans la région de claquage par avalanche. Dans cette région, la tension aux bornes d'une diode Zener est stable sur une large plage de courant traversant le dispositif. Cette propriété est utilisée pour stabiliser la tension aux bornes de la charge.

Stabilisateurs

Les stabilitrons font un bon travail de stabilisation des tensions à partir de 2V et plus. Pour obtenir une tension constante en dessous de cette limite, on utilise des stabilisateurs. En dopant le matériau à partir duquel ces dispositifs sont fabriqués (silicium, sélénium), on obtient la plus grande verticalité possible de la ligne droite de la caractéristique. C'est le mode dans lequel les stabilisateurs fonctionnent, produisant une tension de référence comprise entre 0,5V et 2V sur la branche directe de la caractéristique volt-ampère à la tension directe.

Diodes Schottky

Les diodes Schottky sont basées sur un circuit semi-conducteur-métal et ne possèdent pas de jonction commune. Cela permet d'obtenir deux propriétés importantes :

• Chute de tension directe réduite (environ 0,2 V) ;
• Fréquences de fonctionnement plus élevées grâce à une capacité intrinsèque plus faible.

Les inconvénients sont des courants inverses plus élevés et une tolérance plus faible à la tension inverse.

Varicaps .

Chaque diode a une capacité électrique. Les deux charges massives (les régions p et n du semi-conducteur) servent d'enveloppes au condensateur, et le diélectrique est la couche de verrouillage. Lorsqu'une tension inverse est appliquée, cette couche se dilate et la capacité diminue. Cette propriété est inhérente à toutes les diodes, mais avec les varicaps la capacité est normalisée et connue à des limites de tension données. Il est ainsi possible d'utiliser des dispositifs tels que condensateurs à capacité variable et utilisé pour régler ou affiner les circuits en fournissant différents niveaux de tension inverse.

Diodes à effet tunnel

Ces dispositifs présentent une déviation dans la section avant de la caractéristique dans laquelle une augmentation de la tension entraîne une diminution du courant. La résistance différentielle est négative dans cette zone. Cette propriété permet d'utiliser les diodes tunnel comme amplificateurs pour les signaux faibles et comme oscillateurs à des fréquences supérieures à 30 GHz.

Dynistors

Thyristors à diode - Les thyristors à diode ont une structure p-n-p-n et ont une forme d'onde en S. Ils ne conduisent pas le courant jusqu'à ce que la tension appliquée atteigne un niveau de seuil. Après cela, elle s'ouvre et se comporte comme une diode normale jusqu'à ce que le courant descende en dessous du niveau de maintien. Les dinistors sont utilisés en électronique de puissance comme commutateurs.

Photodiodes

Une photodiode est fabriquée dans un boîtier, la lumière visible atteignant le cristal. Lorsque la jonction p-n est irradiée, une CEM est générée dans celle-ci. Cela permet à la photodiode d'être utilisée comme source de courant (en tant que partie d'une cellule solaire) ou comme capteur de lumière.

LEDs .

La propriété de base d'une photodiode est qu'elle peut émettre de la lumière lorsqu'un courant circule à travers une jonction p-n. Cette lueur n'est pas couplée à l'intensité de chauffage d'une ampoule à incandescence, ce qui rend l'appareil économique. Parfois, la lueur directe de la jonction est utilisée, mais le plus souvent, elle est utilisée comme initiateur pour enflammer le phosphore. Cela a permis d'obtenir des couleurs de LED auparavant irréalisables, comme le bleu et le blanc.

Diodes Gunn

Bien qu'une diode de Gann porte le symbole habituel, il ne s'agit pas d'une diode au sens plein du terme. C'est parce qu'il n'y a pas de jonction p-n. Ce dispositif consiste en une plaquette d'arséniure de gallium sur un substrat métallique.

Sans entrer dans les subtilités des processus : lorsqu'un champ électrique d'une certaine magnitude est appliqué à un dispositif, des oscillations électriques sont produites, dont la période dépend de la taille de la tranche de semi-conducteur (mais dans certaines limites, la fréquence peut être corrigée par des éléments externes).

Les diodes de Gann sont utilisées comme oscillateurs à des fréquences de 1 GHz et plus. L'avantage de ce dispositif est la stabilité de la haute fréquence, l'inconvénient est la faible amplitude des oscillations électriques.

Magnétodiodes

Les diodes conventionnelles sont faiblement affectées par les champs magnétiques externes. Les magnétodiodes sont spécialement conçues pour augmenter leur sensibilité. Ils sont fabriqués en utilisant la technologie p-i-n avec une base étendue. Sous l'influence d'un champ magnétique, la résistance directe du dispositif augmente, ce qui peut être utilisé pour créer des détecteurs de proximité, des convertisseurs de champ magnétique, etc.

Diodes laser

Le principe de fonctionnement d'une diode laser repose sur la propriété de la paire électron-trou d'émettre une lumière visible monochromatique et cohérente dans certaines conditions lors de la recombinaison. Les moyens de créer ces conditions varient, et l'utilisateur doit seulement connaître la longueur d'onde émise par la diode et sa puissance.

Diodes à effet d'avalanche

Ces dispositifs sont utilisés dans l'industrie des micro-ondes. Dans certaines conditions, un mode de claquage par avalanche donne lieu à une région de résistance différentielle négative sur la caractéristique de la diode. Cette propriété des LPD leur permet d'être utilisés comme générateurs, fonctionnant à des longueurs d'onde allant jusqu'au millimètre. Il est possible d'y obtenir une puissance d'au moins 1 W. À des fréquences plus basses, ces diodes produisent jusqu'à plusieurs kilowatts.

Diodes PIN .

Ces diodes sont fabriquées selon la technologie p-i-n. Entre les couches dopées de semi-conducteurs se trouve une couche de matériau non dopé. Pour cette raison, les propriétés de redressement de la diode sont dégradées (la recombinaison est réduite à la tension inverse en raison de l'absence de contact direct entre les zones p- et n-). D'autre part, en raison de l'espacement des régions de charge de masse, la capacité parasite devient très faible, la fuite de signal à haute fréquence est pratiquement éliminée à l'état fermé, et les diodes à broches peuvent être utilisées en HF et UHF comme éléments de commutation.

Caractéristiques et paramètres principaux des diodes

Les principales caractéristiques des diodes semi-conductrices (à l'exception des diodes à usage spécial) sont les suivantes

• tension inverse maximale admissible (DC et impulsion)
• limiter la fréquence de fonctionnement ;
• chute de tension dans le sens direct ;
• Plage de température de fonctionnement.

Les autres caractéristiques importantes sont mieux illustrées par la courbe I-V de la diode.

Caractéristique tension-ampère d'une diode semi-conductrice

La caractéristique volt-ampère d'une diode semi-conductrice est constituée d'une branche directe et d'une branche inverse. Ils sont situés dans les quadrants I et III, puisque le sens du courant et de la tension à travers la diode coïncident toujours. A partir de la caractéristique volt-ampère, il est possible de déterminer certains paramètres et aussi de voir visuellement ce que les caractéristiques de l'appareil affectent.

Tension de seuil de conductivité

Si l'on applique une tension continue à une diode et que l'on commence à l'augmenter, il ne se passera d'abord rien - le courant n'augmentera pas. Mais à partir d'une certaine valeur, la diode s'ouvre et le courant augmente en fonction de la tension. Cette tension est appelée tension de seuil de conductivité et est marquée sur le VAC comme U-threshold. Cela dépend du matériau à partir duquel la diode est fabriquée. Pour les semi-conducteurs les plus courants, ce paramètre est :

• silicium - 0,6-0,8 V ;
• germanium - 0,2-0,3 V ;
• Arséniure de gallium - 1,5 V.

La propriété des semi-conducteurs au germanium de s'ouvrir à basse tension est utilisée dans les circuits à basse tension et dans d'autres situations.

Courant maximal à travers une diode lorsqu'elle est directement sous tension

Après l'ouverture d'une diode, son courant augmente avec la tension directe. Pour une diode idéale, ce graphique va à l'infini. En pratique, elle est limitée par la capacité du semi-conducteur à dissiper la chaleur. Si une certaine limite est atteinte, la diode surchauffe et tombe en panne. Pour éviter cela, les fabricants indiquent le courant maximal admissible (Imax sur le CVC). On peut l'estimer par la taille de la diode et de son boîtier. Dans l'ordre décroissant :

• Les dispositifs à enveloppe métallique contiennent le courant le plus élevé ;
• Les boîtiers en plastique sont conçus pour une puissance moyenne ;
• Les diodes encapsulées dans du verre sont utilisées dans les circuits à faible courant.

Les appareils métalliques peuvent être montés sur des radiateurs - cela augmentera la capacité de dissipation.

Courant de fuite inverse

Si une tension inverse est appliquée à une diode, un ampèremètre à faible sensibilité ne montrera rien. En effet, seule une diode parfaite ne laisse échapper aucun courant. Un dispositif réel aura un courant, mais il est très faible et est appelé courant de fuite inverse (sur la forme d'onde, Iobr). Il s'agit de dizaines de microampères ou de dixièmes de milliampères et il est beaucoup plus petit que le courant direct. Il peut être déterminé par le livre de référence.

Baisse de tension

A partir d'une certaine valeur de tension inverse, il y a une augmentation rapide du courant qui est appelée claquage. Celle-ci est de type tunnel ou avalanche et est réversible. Ce mode de fonctionnement est utilisé pour stabiliser la tension (mode avalanche) ou pour générer des impulsions (mode tunnel). Lorsque la tension augmente encore, le claquage devient thermique. Ce mode est irréversible et la diode tombe en panne.

Capacité parasite de la jonction pn

Il a déjà été mentionné qu'une jonction p-n a capacité électrique. Et si dans les varicaps cette propriété est utile et utilisée, dans les diodes conventionnelles elle peut être préjudiciable. Bien que la capacité est de l'ordre de l'unité ou des dizaines de pF et peut ne pas être perceptible en courant continu ou à basse fréquence, son effet augmente à mesure que la fréquence augmente. Quelques picofarads à la RF créeront une résistance suffisamment faible pour les fuites de signaux parasites, s'ajouteront à la capacité existante et modifieront les paramètres du circuit, et se combineront avec l'inductance d'un fil ou d'un conducteur imprimé pour former un circuit à résonance parasite. C'est pourquoi des mesures sont prises dans la fabrication des dispositifs à haute fréquence pour réduire la capacité de jonction.

Étiquetage des diodes

La méthode la plus simple pour étiqueter les diodes est d'utiliser un boîtier métallique. Dans la plupart des cas, ils sont étiquetés avec la désignation de l'appareil et l'affectation des broches. Les diodes dans les boîtiers en plastique sont marquées d'un anneau du côté de la cathode. Mais il n'y a aucune garantie que le fabricant respecte strictement cette règle, il est donc préférable de consulter un ouvrage de référence. Mieux encore, utilisez un multimètre pour tester l'appareil.

Les stabilitrons domestiques de faible puissance et certains autres appareils peuvent avoir deux anneaux ou points de couleurs différentes sur les côtés opposés du boîtier. Pour déterminer le type d'une telle diode et sa broche, vous devez vous procurer un livre de référence ou trouver un identificateur de marquage en ligne sur Internet.

Applications des diodes

Malgré leur construction simple, les diodes semi-conductrices sont largement utilisées en électronique :

1. Pour rectifier Tension CA. Un classique du genre - utiliser la propriété de la jonction p-n pour conduire le courant dans une seule direction.
2. Détecteurs à diodes. Cette méthode utilise la non-linéarité de la forme d'onde pour permettre d'extraire les harmoniques du signal, dont les harmoniques souhaitées peuvent être captées par des filtres.
3. Deux diodes commutées en contre-parallèle servent de limiteur pour les signaux de forte puissance qui peuvent surcharger les étages d'entrée en aval des récepteurs radio sensibles.
4. Les stabilitrons peuvent être inclus en tant qu'éléments de protection contre les étincelles pour empêcher les impulsions haute tension d'atteindre les circuits de capteurs installés dans des zones dangereuses.
5. Les diodes peuvent servir de dispositifs de commutation dans les circuits à haute fréquence. Ils s'ouvrent sous l'effet d'une tension continue et laissent passer (ou non) le signal HF.
6. Les diodes paramétriques servent d'amplificateurs de signaux faibles dans la gamme des micro-ondes en raison de la présence d'une section à impédance négative dans la ligne droite de la caractéristique.
7. Les diodes sont utilisées pour construire des mélangeurs qui fonctionnent dans les équipements de transmission ou de réception. Ils mélangent signal hétérodyne avec un signal haute fréquence (ou basse fréquence) pour un traitement ultérieur. Cela permet également de tirer parti de la non-linéarité de la courbe I-V.
8. La caractéristique non linéaire permet aux diodes UHF d'être utilisées comme multiplicateurs de fréquence. Lorsqu'un signal passe par une diode multiplicatrice, les harmoniques supérieures sont extraites. Ceux-ci peuvent être isolés davantage par filtrage.
9. Les diodes sont utilisées comme éléments d'accord dans les circuits résonnants. Cela permet d'utiliser la capacité contrôlée au niveau de la jonction p-n.
10. Certains types de diodes sont utilisés comme oscillateurs dans la gamme des micro-ondes. Il s'agit principalement de diodes tunnel et de dispositifs à effet Gann.

Il ne s'agit que d'une brève description des capacités des dispositifs semi-conducteurs à deux fils. Grâce à une étude approfondie des propriétés et des caractéristiques, les diodes peuvent être utilisées pour résoudre de nombreux défis posés aux concepteurs de dispositifs électroniques.

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