Denis Gauthier, Lycée Bernard Palissy, 47000 Agen

Les diodes à jonction sont des dipôles obtenus à partir d'un cristal semi-conducteur comportant des atomes tétravalents (4 électrons célibataires sur la couche externe) comme le silicium ou le germanium (voir Annexe).

• étudier les variations de l'intensité i, mesurée avec un ampèremètre à aiguille, qui traverse ce dipôle (A,B) en fonction de la tension u_AB entre ses bornes, mesurée avec un multimètre ;
• tracer la courbe i = f(u_AB), appelée caractéristique, de deux façons différentes à partir de ces mesures : manuellement sur papier millimétré à la maison ; avec l'ordinateur et le tableur EXCEL.
• réaliser un montage permettant de visualiser la courbe i = f(u_AB) à l'oscilloscope et l'enregistrer à l'ordinateur.

On place successivement entre A et B, une diode silicium et une diode Zéner ; la borne B correspond au côté de la diode marqué d'un trait.

On applique à la diode une tension u_AB > 0 et croissante ; puis, en inversant les branchements sur le générateur et sur l'ampèremètre, une tension u_AB < 0 et décroissante.

Ampèremètre à aiguille, calibre 0,03 A puis 0,1 A ; multimètre, calibre 2 V puis 20 V. On réalise les mesures indiquées dans les tableaux (certaines valeurs de i ne sont pas toujours accessibles). i est compté positif quand il traverse la diode de A vers B.

Le protocole est donné progressivement pour tracer la caractéristique de la diode Si. Les élèves tracent ensuite seuls la caractéristique de la diode Zéner.

* Rentrer les mesures dans l'ordre de u_AB croissant, de u_AB dans la colonne A et de i_AB dans la colonne B après avoir tapé, u_AB dans la cellule A1 et i dans la cellule B1.

Sélectionner cellules A1 et B1 : dans barre outils format, G (gras).

Sélectionner les deux colonnes : Format, colonne, largeur 7 ; dans la barre des outils format, centrer.

* Garder sélection des colonnes A et B. Activer, dans la barre d'outils standard, assistant graphique. Avec la souris, placer la croix sur les colonnes sélectionnées ; une icône apparait et en cliquant une fenêtre s'ouvre.

Assistant graphique 1/5 : plage, vérifier que la première cellule et la dernière cellule indiquées du tableau sont correctes.

Assistant graphique 2/5 : sélectionner, en cliquant dessus, nuage de points XY.

Assistant graphique 3/5 : sélectionner 2 ou 5.

Assistant graphique 4/5 : série données, colonnes ; utilisez les, 1, lignes pour les étiquettes de l'axe des catégories X, 1 ; utilisez les, 1, colonnes pour le texte de la légende.

Assistant graphique 5/5 : titre, Diode Silicium ; catégories X, u_AB (V) ; catégories Y, i (mA).

* Il apparait sur la feuille, à côté des colonnes de données, un rectangle avec le graphique. Ce rectangle peut-être déplacé avec la souris et agrandi avec les petits carrés des milieux des côtés On utilise ces possibilités pour remplir, avec ce graphique, le reste de la feuille non occupé par les données.

On active, dans la barre d'outils standard, apercu avant impression. Dans la fenêtre qui suit, on sélectionne, dans le menu du haut, Page. Dans la nouvelle fenêtre :

Page, paysage et agrandir 150 % ; Marges, centre dans la page horizontalement et verticalement. On revient à aperçu avant impression et on peut ensuite augmenter l'agrandissement en évitant de sortir de la page.

* Imprimer.

Avec le même protocole on réalise la caractéristique de la diode Zéner.

On utilise un GBF donnant une tension sinusoïdale de fréquence f " 500 Hz.

On place successivement entre A et B, la diode Silicium puis la diode Zéner.

On observe les courbes u_AB(t), tension aux bornes de la diode, et u_BC(t) = Ri(t), tension proportionnelle à l'intensité i du courant, comptée positivement dans le sens A vers B (tension image du courant) ; avec la diode Silicium, on constate que le courant ne circule que pendant les alternances positives, redressement de une alternance ; avec la diode Zéner, on remarque que le courant peut circuler dans les deux sens.

On observe la courbe de u_BC = Ri (voie 2 -, Y) en fonction de u_AB (voie 1, X), qui est proportionnelle à la caractéristique i(u_AB) de la diode.

* On réalise la configuration suivante dans Paramètres, pour une acquisition sur 4 périodes = 8 ms (f = 500 Hz):

Entrées A/D : Entrée 1, u_AB, ... , Fenêtre rien, ampli 1, calibre -10,24 + 10,24 ; Entrée 2, u_BC, ..., Fenètre 1, ampli -1, calibre -10,24 + 10,24.

Acquisition : Réglages, points 200 ; Durée totale, 8 ms ; Déclenchement , entrée 1, 0 ­ .

Fenêtres : Abscisse , Nom u_AB, Genre linéaire, Unité V ; Echelle en X, Basée sur u_AB (repérer les limites et passer ensuite en échelle manuelle) ; Echelle en Y, Basée sur u_BC (repérer les limites et passer ensuite en échelle manuelle).

* On met un titre (Fenêtres , Titres) et éventuellement un commentaire qui peut-être accompagné de flêches ( Edition, Commentaires , Flêches).

* On imprime chaque caractéristique en format paysage.

* La diode ne conduit le courant que de A vers B pour u_AB > 0,7 V. On idéalise la caractéristique :

On a ici, u_S " 0,7 V; et dans le cas d'une diode 1 N 4007, i_max = 1A et u_invmax = 1000 V avec P_max =

La diode est bloquée pour u_AB < u_s. Quand elle conduit, u_AB " cte = u_s.

* En dehors de son domaine de fonctionnement, la diode est détruite car elle reçoit une puissance, P = u.i > P_max : polarisée en direct, pour i > i_ma ; polarisée en inverse, elle devient passante en sens inverse pour u_BA > u_{inv max}, et, comme u_{inv max} est élevée, la puissance reçue dépasse la puissance maximale suportable.

Cette diode peut conduire dans les deux sens mais elle conduit plus facilement de A vers B. Sa caractéristique peut-être aussi idéalisée : la tracer dans la figure suivante en indiquant les valeurs de u_s et u_Z de la diode utilisée et les limites de fonctionnement.

La diode est bloquée pour, - u_Z < u_AB < u_s.

Prendre R = 100 W et dessiner l'allure générale des courbes u_AM(t) et u_BM(t). On pourra enregistrer u_AM et u_BM à l'ordinateur dans Synchronie, avec f = 500 Hz et la même durée 4 T = 8 ms qu'au § 3.

Prendre R = 2,2 kW et dessiner l'allure générale des courbes u_AB (t) et u_CD(t). On pourra enregistrer u_CD à l'ordinateur dans Synchronie, avec f = 500 Hz et la même durée 4 T = 8 ms.

On met à la suite du pont de diodes un condensateur C et une résistance R en parallèle.

* Définition : un condensateur est un ensemble de deux conducteurs de grande surface, séparés par un isolant(ou diélectrique) de faible épaisseur.

* Charge et décharge :

La charge d'un condensateur se fait en le reliant à un générateur de tension continue (interrupteur 1) : il se produit, à travers le circuit, un transfert très rapide d'électrons libres correspondant à un courant de charge I_c indiqué par l'éclairage de la DEL rouge : l'armature A reliée à la borne + du générateur perd n électrons et se charge + ; l'armature B reliée à la borne reçoit n électrons et se charge -. On retrouve entre les bornes du condensateur chargé une tension, U = V_A - V_B = E (f.e.m du générateur).

On appelle charge du condensateur la valeur absolue commune Q des charges des armatures. Cette charge est proportionnelle à la tension, U = V_A - V_B, appliquée aux armatures et le coefficient de proportionnalité C représente la capacité du condensateur (unité SI, le Farad et ses multiples, mF µF nF) : Q / U= Cte. = C ® Q = CU

L'énergie électrique, que possède le condensateur chargé, peut-être rendue à la décharge (interrupteur 2) avec une déplacement inverse d'électrons libres, correspondant à un courant de décharge I_d, de sens inverse de I_c et indiqué par l'éclairage de la DEL verte. Cette décharge est d'autant plus lente que la résistance R est élevée.

* On observe à l'oscilloscope la tension de la voie 1 et les effets produits par des variations de C et de R. Pour des valeurs assez élevées de C et R, on obtient une tension très proche d'une tension continue (voir document de l'enregistrement à l'ordinateur).

Le condensateur est supposé initialement déchargé. Durant chaque demi-alternance où la tension croit, le condensateur se charge et prend une charge Q d'autant plus grande que sa capacité C est plus élevée. Durant chaque demi-alternance où la tension décroit, le condensateur se décharge dans la résistance R puisque les diodes du pont s'opposent au passage du courant ; cette décharge est d'autant plus lente, et Q varie d'autant moins, que R est plus élevée. A chaque alternance la charge du condensteur augmente donc et atteint rapidement sa valeur maximale.

Par la suite la tension entre ses bornes reste pratiquement constante et devient assimilable à une tension continue.

* Diodes au germanium : elles ont des propriétés analogues aux diodes silicium avec une tension seuil plus faible, u_s = 0,2 V.

* Diodes Varicap : elles utilisent le fait que une diode polarisée en inverse se comporte comme un condensateur dont la capacité dépend de la largeur de la jonction et varie donc avec la tension appliquée ; elles sont utilisées pour réaliser des oscillateurs électriques contrôlés par la tension, et aussi en modulation de fréquence.

* Diodes photoémissives, DEL ou LED : dans ces diodes une partie de l'énergie électrique consommée est transformée en énergie lumineuse ; la couleur de la lumière émise dépend des élèments utilisés pour le dopage, gallium (rouge), arsenic (verte), phosphore (jaune ou invisible dans l'infrarouge) ; elles présentent des avantages par rapport à une lampe à incandescence, basse tension (1 à 2 V), rapidité de commutation (quelques ns) et durée de vie (> 20 ans).

* Photodiodes : elles conduisent en inverse un courant, qui varie comme l'éclairement reçu par la jonction et donne, aux bornes d'une résistance, une tension variant aussi comme cet éclairement ; elles sont utilisées comme capteur optoélectronique.

Ce logiciel, sous Windows, permet de tracer le schéma des montages électriques.

* En haut menu déroulant et barre d'outils. A gauche sur deux colonnes différents dipôles que l'on peut reproduire, après les avoir activés, dans un rectangle de taille réglable.

* Quelques fonctions de la barre d'outils :

• le panneau couleur pour choisir la couleur des traits et des lettres ;
• le panneau épaisseur pour choisir par bascule une des tailles de trait possibles ;
• le panneau A texte latin pour choisir la police et la taille des lettres.

* Quelques fonctions utiles :

• pour modifier un texte écrit, cliquer à gauche dessus une première fois pour activer, puis deux fois pour accéder;
• pour utiliser des éléments de montage enregistrés, Fichier - Charger - Eléments - ...

* Refaire le schéma du montage avec pont de diodes, en chargeant pontdiod.are dans éléments, et en indiquant par des flêches de couleur le sens du courant dans chaque partie du circuit pour les 2 alternances.

* Imprimer en noir et blanc et repasser les flêches à la couleur.

Le cours de Physique a rappelé que les conducteurs électriques métalliques ont des électrons libres et que les isolants électriques n'en ont pas. Il existe des corps aux propriétés intermédiaires, les semi-conducteurs : silicium (Si), germanium (Ge) ...

Le silicium possède quatre électrons sur sa couche électronique externe (élément de la quatrième colonne de la classification périodique des éléments chimiques). Dans un cristal de silicium chaque atome est réuni à quatre autres atomes par quatre liaisons de covalence (une liaison de covalence est formée par un doublet électronique, obtenu par la mise en commun de deux électrons par deux atomes).

Au zéro absolu (0 °Kelvin = - 273 °Celsius), tous les électrons de la couche externe des atomes Si sont engagés dans ces liaisons et il n'y a pas d'électrons libres : le cristal Si est alors isolant.

Au températures ordinaires, l'agitation des atomes (vibrations autour d'une position moyenne) entraine la libération de quelques électrons ; et le cristal Si devient très légérement conducteur. A l'inverse des métaux, la conductibilité du cristal Si augmente avec la température. Cette conductibilité, appelée conductiblité intrinsèque, reste cependant beaucoup plus faible (ordre 10⁷ fois) que celle d'un métal. On peut lui ajouter une conductiblité extrinsèque par dopage.

Il est obtenu en introduisant, dans le cristal Si, un nombre limité d'atomes d'un autre élément (1 atome pour 10⁴ à 10⁹ atomes du cristal). La conductibilité extrinsèque, beaucoup plus importante que la conductiblité intrinsèque, augmente avec ce nombre d'atomes mais varie peu avec la température. Suivant le type d'atome introduit, deux dopages sont possibles.

Le cristal Si contient n atomes d'un élément de la cinquième colonne possédant cinq électrons sur sa couche externe (phosphore P par exemple). Ces n atomes P vont se lier aux atomes Si par quatre liaisons covalentes ; et il restera pour chacun un électron libre, soit pour le cristal n électrons libres. Le cristal Si, dopé au phosphore, possède donc davantage d'électrons libres et devient plus conducteur : c'est un semi-conducteur de type N (N comme négatif).

Le cristal Si contient p atomes d'un élément de la troisième colonne possèdant trois électrons sur sa couche externe (bore B par exemple). Ces p atomes vont se lier aux atomes Si par des liaisons covalentes ; mais il manquera un électron à p liaisons. On dit alors que le cristal possède p trous.

Chacun de ces trous peut-être comblé par un électron d'une liaison voisine (électron de valence) ce qui crée un nouveau trou avec un déficit de un électron correspondant à une charge positive. Le déplacement de ces électrons de valence ou celui de ces trous (de sens inverse), assimilable au déplacement d'une charge positive, rend le cristal plus conducteur : le cristal Si, dopé au bore, est un semi-conducteur de type P (P comme positif).

* Il y a donc deux modes de conduction dans les semi-conducteurs :

• conduction par les électrons de conduction (électrons libres) ;
• conduction par les électrons de valence ou conduction par trous .

* Ces deux modes coexistent toujours ; mais, suivant le type de dopage, un mode est majoritaire :

• la conduction par électrons de conduction avec le dopage N ;
• la conduction par électrons de valence (ou par trou) avec le dopage P.

Une diode au silicium est formée d'une pastille de silicium dopée P sur une face et dopée N sur l'autre face.

Quelques électrons de la zone N, proches de la surface de séparation des deux zones, diffusent à travers elle et comblent des trous de la zone P : il se forme une région de faible épaisseur, la jonction, chargée positivement du côté N et négativement du côté P. A l'intérieur de cette zone, les électrons subissent une force électrique, , de sens P ® N

Quand on applique une tension u_AB > 0 aux bornes de la diode, des électrons libres se déplacent de la zone N vers la zone P. Si u_AB est supérieure à une limite appelée tension seuil (u_AB > u_s " 0,6 V), elle exerce sur ces électrons une force, , de sens inverse à et plus intense : ils franchissent la jonction et vont combler les trous de la zone P ; les trous se déplacent donc de la zone P vers la zone N.

Ces deux déplacements , dans la zone N des électrons de conduction de B vers A et dans la zone P des trous de A vers B (ou des électrons de valence de B vers A), correspondent à un courant électrique de sens P vers N : la diode est passante dans le sens AB (zone N reliée à la borne - du générateur).

Quand on applique une tension u_AB < 0 aux bornes de la diode, les électrons libres de la zone N se déplacent vers B ; des électrons du fil de liaison de A avec le générateur rentrent dans la zone P et y comblent des trous. La largeur de la jonction augmente.

La jonction exerce alors des forces électriques d'attaction sur les charges mobiles (électrons libres de la zone N et trous de la zone P) qui s'opposent aux forces dues à la tension du générateur. Un équilibre s'établit rapidement et les déplacements de ces charges s'arrêtent : le courant transitoire est très bref, quelques nanosecondes (10^-9 s). La diode est alors bloquée (zone N reliée à la borne + du générateur).

Quand la valeur absolue de u_AB < 0 atteint une valeur U_A (tension d'avalanche), les forces dues à la tension du générateur l'emportent et l'équilibre précédent est rompu : des liaisons chimiques sont cassées (par la tension ou par les chocs des électrons libres accélérés), libérant des électrons dont le nombre augmente rapidement (effet d'avalanche) ; ces électrons traversent la diode qui devient passante en inverse.

Pour une diode ordinaire (faiblement dopée) U_A est élevée (> 1000 V pour la diode 1 N 4007) : la puissance reçue est alors supérieure à la puissance maximale et la diode est détruite. Pour éviter cela, on fixe une tension inverse maximale inférieure à U_A (U_{inv max} = 1000 V pour cette diode).

Pour une diode Zéner (plus fortement dopée), la tension d'avalanche est beaucoup plus faible (ordre quelques Volts) et le phénomène peut-être contrôlé : la diode conduit en inverse sans dommage pour des intensités limitées avec, entre ses bornes, une tension pratiquement constante de quelques Volts, appelée tension Zéner (variable avec le dopage d'un modèle à l'autre).

L'électrode reliée à la zone P est appelée anode A, l'électrode reliée à la zone N cathode K. La diode est passante de A vers K, sens indiqué par un flêche.