La Diode

La diode est un composant électronique qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens.

Avant l'avènement des matériaux semi-conducteurs, les diodes existaient sous la forme de tubes électroniques beaucoup moins pratiques à mettre en œuvre.

Les diodes sont de nos jours peu utilisées isolément. Il est commun de les voir dans des circuits intégrés, ou de voir leur principe de fonctionnement étendu aux transistors. Néanmoins, on peut encore en trouver telles quelles dans des circuits, là où il est nécessaire d'installer une voie à sens unique pour le courant. Par exemple, dans un circuit où la polarité est indispensable au bon fonctionnement, on peut installer une diode entre les bornes positive et négative de l'alimentation, qui est passante quand la polarité est mauvaise, créant un court-circuit, détruisant le fusible de protection, et « sauvant » ainsi le reste du montage.

Les diodes sont un des dipôles de base de l'électronique de puissance.

Elles sont fréquemment utilisées dans le domaine de redressement de courant alternatif :

• redressement simple alternance : une seule diode est nécessaire.
• redressement double alternance : on utilise pour cela un pont de diodes.

Les diodes sont fabriquées à partir de semi-conducteurs et son principe physique de fonctionnement est à la base de tous les composants actifs en électronique.

Une diode est créée en accolant un substrat riche en électrons libres (semi-conducteur type N, métal) à un substrat déficitaire en électrons (semi-conducteur type P, trous majoritaires). Seule la diode Gunn échappe à ce principe : n'étant constituée que d'un barreau monolithique d'AsGa, son appellation diode doit être considérée comme un abus de langage.

Lors de l'aboutement des deux cristaux, les électrons surabondants de la partie N vont avoir tendance à migrer vers la partie P pour y boucher les « trous ». Le côté N va donc se polariser positivement, et le côté P négativement, créant ainsi un champ électrique s'opposant à cette migration électronique. Il existe donc, à l'équilibre thermodynamique, une différence de potentiel entre la partie N et la partie P (dite potentiel de jonction) ; celle-ci est de l'ordre de 0,7 V pour les diodes à substrat silicium, 0,3 V pour le germanium et les diodes Schottky ; elle est plus importante pour certains substrats type III-V comme GaAs ou les diodes électroluminescentes. Le champ électrique est maximal aux abords de la jonction, dans une zone appelée zone de charge d'espace, ZCE.

Si maintenant l'on applique une tension positive côté N et négative côté P, la jonction « se creuse » : les électrons de la section N sont attirés vers l'extrémité du barreau, un phénomène symétrique se produit côté P avec les trous : la ZCE s'étend, aucun courant ne peut circuler, la diode est dite « bloquée » ; elle se comporte alors comme un condensateur, une propriété mise à profit dans les varicaps, diodes dont la capacité varie en fonction de la tension inverse qu'on leur applique ; elles sont utilisées entre autres dans la réalisation d'oscillateurs commandés en tension (OCT, anglais VCO).

Toutefois, si la tension inverse est poussée au-delà d'un certain seuil, il peut se produire deux phénomènes (claquage de la jonction) :

• les paires électrons-trous créées dans le substrat suite à l'agitation thermique, accélérées par le champ électrique externe, vont pouvoir acquérir une énergie cinétique suffisante pour arracher, par choc contre le réseau cristallin, d'autres électrons, etc. (effet d'avalanche) ;
• l'énergie du champ électrique devient suffisante pour permettre aux électrons de valence de passer en bande de conduction (effet Zéner). Ces derniers franchissent la jonction par effet tunnel.

Ces deux phénomènes, dont la prédominance résulte de la concentration en dopant, donnent lieu à l'apparition d'un courant inverse important et non limité, qui aboutit souvent à la destruction du cristal par effet Joule : la diode présente en effet une résistance très faible dans cette plage de fonctionnement. Si ce courant est limité au moyen de résistances externes, la diode en avalanche se comporte alors, du fait de sa faible résistance interne, comme un générateur de f.c.e.m quasi-parfait : cette propriété est à l'origine de l'utilisation des diodes dites Zéner dans la régulation de tension continue. On peut aussi utiliser une diode Zéner comme source de bruit.

En revanche, lorsque l'on applique une tension « directe », c'est-à-dire que l'on applique une tension positive du côté P et négative du côté N, pourvu que cette tension soit supérieure à la barrière de potentiel présente à l'équilibre, les électrons injectés du côté N franchissent l'interface N/P et terminent leur course soit en se recombinant avec des trous, soit à l'anode : le courant circule, la diode est dite « passante ».

Lorsqu'un électron « tombe » dans un trou (recombinaison), il passe d'un état libre à un état lié ; il perd de l'énergie (différence entre le niveau de valence et le niveau de conduction) en émettant un photon ; ce principe est à l'origine des diodes électroluminescentes ou LED, dont le rendement dépasse considérablement celui des sources de lumière classiques : lampes à incandescence, lampes à éclat (tubes fluorescents). Une LED dont le substrat a été façonné pour servir de réflecteur aux photons peut donner lieu à du pompage optique, aboutissant à un rayonnement laser (Diode laser).

La diode à effet tunnel désigne une diode dont les zones N et P sont hyper-dopées. La multiplication des porteurs entraîne l'apparition d'un courant dû au franchissement quantique de la barrière de potentiel par effet tunnel (une telle diode a une tension de Zéner nulle). Sur une faible zone de tension directe, la diode présente une résistance négative (le courant diminue lorsque la tension augmente, car la conduction tunnel se tarit au profit de la conduction « normale »), une caractéristique exploitée pour réaliser des oscillateurs. Ce type de diode n'est quasiment plus employé actuellement.

La diode Gunn consiste en un simple barreau d'Arsénure de Gallium, et exploite une propriété physique du substrat : les électrons s'y déplacent à des vitesses différentes (masse effective différente) suivant leur énergie (il existe plusieurs minima locaux d'énergie en bande de conduction, suivant le déplacement des électrons). Le courant se propage alors sous forme de bouffées d'électrons, ce qui signifie qu'un courant continu donne naissance à un courant alternatif ; convenablement exploité, ce phénomène permet de réaliser des oscillateurs microonde dont la fréquence se contrôle à la fois par la taille du barreau d'AsGa et par les caractéristiques physiques du résonateur dans lequel la diode est placée.

Une diode PIN interpose, entre ses zones P et N, une zone non-dopée, dite intrinsèque (d'où I). Ces diodes, polarisées en inverse, présentent des capacités extrêmement faibles, des tensions de claquage élevées. En revanche, en direct, la présence de la zone I augmente la résistance interne ; celle-ci, dépendante du nombre de porteurs, diminue quand le courant augmente : on a donc une résistance (alternative) variable, contrôlée par une intensité (continue). Ces diodes sont donc soit utilisées en redressement des fortes tensions, soit en commutation UHF (du fait de leur faible capacité inverse), soit en atténuateur variable (contrôlé par un courant de commande continu).

La photodiode génère un courant à partir des paires électrons-trous produites par l'incidence d'un photon suffisamment énergétique dans le cristal.

• Diode électroluminescente ou DEL
• diode Zener

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