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

La diode semi-conductrice est largement utilisée dans l'électrotechnique et l'électronique. Avec son faible coût et son bon rapport puissance/taille, il a rapidement remplacé les appareils à vide ayant un objectif similaire.

Le dispositif et le principe de fonctionnement d'une diode à semi-conducteur

Une diode à semi-conducteur est constituée de deux régions (couches) constituées d'un semi-conducteur (silicium, germanium, etc.). Une région a un excès d'électrons libres (n-semi-conducteur), l'autre a un déficit (p-semi-conducteur) - ceci est réalisé en dopant le matériau de base. Entre eux, il y a une petite zone dans laquelle un excès d'électrons libres du site n "ferme" les trous du site p (la recombinaison se produit en raison de la diffusion), et il n'y a pas de porteurs de charge libres dans cette région. Lorsqu'une tension directe est appliquée, la région de recombinaison est petite, sa résistance est petite et la diode conduit le courant dans cette direction. Avec une tension inverse, la zone sans porteur augmentera, la résistance de la diode augmentera. Aucun courant ne circulera dans cette direction.

Types, classification et désignation graphique sur les schémas électriques

Dans le cas général, la diode dans le schéma est indiquée par une flèche stylisée indiquant le sens du courant. L'image graphique conditionnelle (UGO) de l'appareil contient deux conclusions - anode et cathode, qui en connexion directe sont reliés respectivement au plus du circuit électrique et au moins.

Il existe un grand nombre de variétés de ce dispositif à semi-conducteur bipolaire, qui, selon le but, peuvent avoir des UGO légèrement différents.

Diodes Zener (diodes Zener)

Une diode Zener est un dispositif semi-conducteurfonctionnant en tension inverse dans la zone de claquage par avalanche. Dans cette région, la tension de la diode Zener est stable sur une large plage de courant à travers le dispositif. Cette propriété est utilisée pour stabiliser la tension aux bornes de la charge.

Stabistors

Les diodes Zener font un bon travail de stabilisation des tensions à partir de 2 V et plus.Les stabistors sont utilisés pour obtenir une tension constante en dessous de cette limite. Le dopage du matériau constituant ces dispositifs (silicium, sélénium) permet d'obtenir la plus grande verticalité de la branche directe de la caractéristique. Dans ce mode, les stabistors fonctionnent, donnant un exemple de tension dans la plage de 0,5 ... 2 V sur la branche directe de la caractéristique courant-tension à la tension directe.

Diodes Schottky

La diode Schottky est construite selon le schéma semi-conducteur-métal et n'a pas de jonction conventionnelle. De ce fait, deux propriétés importantes ont été obtenues :

• chute de tension directe réduite (environ 0,2 V);
• augmentation des fréquences de fonctionnement en raison d'une diminution de la capacité propre.

Les inconvénients incluent des valeurs accrues de courants inverses et une tolérance réduite au niveau de tension inverse.

Varicaps

Chaque diode a une capacité électrique. Les plaques du condensateur sont deux charges d'espace (régions p et n des semi-conducteurs) et la couche barrière est le diélectrique. Lorsqu'une tension inverse est appliquée, cette couche se dilate et la capacité diminue. Cette propriété est inhérente à toutes les diodes, mais pour les varicaps, la capacité est normalisée et connue pour des limites de tension données. Cela permet d'utiliser des appareils tels que condensateurs variables et appliquer pour ajuster ou affiner les circuits en fournissant une tension inverse de différents niveaux.

diodes tunnel

Ces appareils ont une déviation dans la section droite de la caractéristique, dans laquelle une augmentation de tension provoque une diminution de courant. Dans cette région, la résistance différentielle est négative.Cette propriété permet d'utiliser des diodes tunnel comme amplificateurs et générateurs de signaux faibles à des fréquences supérieures à 30 GHz.

Dinistors

Dinistor - thyristor à diode - a une structure p-n-p-n et un CVC en forme de S, ne conduit pas de courant tant que la tension appliquée n'a pas atteint le niveau de seuil. Après cela, il s'allume et se comporte comme une diode normale jusqu'à ce que le courant tombe en dessous du niveau de maintien. Les dinistors sont utilisés en électronique de puissance comme clés.

Photodiodes

La photodiode est réalisée dans un boîtier avec accès de la lumière visible au cristal. Lorsqu'une jonction p-n est irradiée, une force électromotrice y apparaît. Cela vous permet d'utiliser la photodiode comme source de courant (dans le cadre de panneaux solaires) ou comme capteur de lumière.

LED

La principale propriété d'une LED est sa capacité à émettre de la lumière lorsque le courant traverse une jonction p-n. Cette lueur n'est pas liée à l'intensité du chauffage, comme une lampe à incandescence, donc l'appareil est économique. Parfois, la lueur directe de la transition est utilisée, mais le plus souvent, elle est utilisée comme initiateur de l'allumage du luminophore. Cela a permis d'obtenir des couleurs de LED auparavant inaccessibles, telles que le bleu et le blanc.

Diodes Gunn

Bien que la diode Gunn ait la désignation graphique conventionnelle habituelle, ce n'est pas une diode au sens plein. Parce qu'il n'a pas de jonction p-n. Ce dispositif est constitué d'une plaque d'arséniure de gallium sur un substrat métallique.

Sans entrer dans les détails des processus : lorsqu'un champ électrique d'une certaine amplitude est appliqué dans l'appareil, des oscillations électriques se produisent, dont la période dépend de la taille de la tranche semi-conductrice (mais dans certaines limites, la fréquence peut être ajustée par des éléments extérieurs).

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

Diodes magnétiques

Les diodes ordinaires sont faiblement affectées par les champs magnétiques externes. Les magnétodiodes ont une conception spéciale qui augmente la sensibilité à cet effet. Ils sont fabriqués à l'aide de la technologie p-i-n avec une base étendue. Sous l'action d'un champ magnétique, la résistance de l'appareil dans le sens direct augmente, ce qui peut être utilisé pour créer des éléments de commutation sans contact, des convertisseurs de champ magnétique, etc.

Diode laser

Le principe de fonctionnement d'une diode laser repose sur la propriété d'une paire électron-trou lors d'une recombinaison dans certaines conditions d'émettre un rayonnement visible monochromatique et cohérent. Les méthodes de création de ces conditions sont différentes, pour l'utilisateur il suffit de connaître la longueur de l'onde émise par la diode et sa puissance.

Diodes à avalanche

Ces appareils sont utilisés au micro-ondes. Dans certaines conditions, en mode de claquage par avalanche, une section avec une résistance différentielle négative apparaît sur la caractéristique de la diode. Cette propriété de l'APD leur permet d'être utilisés comme générateurs fonctionnant à des longueurs d'onde allant jusqu'au millimètre. Là, il est possible d'obtenir une puissance d'au moins 1 watt. À des fréquences plus basses, jusqu'à plusieurs kilowatts sont retirés de ces diodes.

Diodes PIN

Ces diodes sont fabriquées en 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 (avec une tension inverse, la recombinaison est réduite en raison de l'absence de contact direct entre les zones p et n).Mais en raison de l'espacement des régions de charge d'espace, la capacité parasite devient très petite, à l'état fermé, les fuites de signal à haute fréquence sont pratiquement exclues et les diodes pin peuvent être utilisées sur RF et micro-ondes comme éléments de commutation.

Principales caractéristiques et paramètres des diodes

Les principales caractéristiques des diodes semi-conductrices (sauf celles hautement spécialisées) comprennent :

• la tension inverse maximale admissible (constante et pulsée) ;
• fréquence de fonctionnement limite ;
• chute de tension directe ;
• plage de température de fonctionnement.

Le reste des caractéristiques importantes est mieux considéré en utilisant l'exemple des caractéristiques I-V de la diode - c'est plus clair.

Caractéristique volt-ampère d'une diode à semi-conducteur

La caractéristique courant-tension d'une diode à semi-conducteur consiste en une branche directe et inverse. Ils sont situés dans les quadrants I et III, car le sens du courant et de la tension à travers la diode coïncide toujours. Selon la caractéristique courant-tension, vous pouvez déterminer certains paramètres, ainsi que voir clairement ce que les caractéristiques de l'appareil affectent.

Tension de seuil de conduction

Si vous appliquez une tension directe à la diode et commencez à l'augmenter, rien ne se passera au premier instant - le courant n'augmentera pas. Mais à une certaine valeur, la diode s'ouvrira et le courant augmentera en fonction de la tension. Cette tension est appelée tension de seuil de conduction et est marquée sur le VAC comme Uthreshold. 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 dispositifs semi-conducteurs au germanium de s'ouvrir à basse tension est utilisée lors de travaux dans des circuits basse tension et dans d'autres situations.

Courant maximal à travers la diode avec connexion directe

Après l'ouverture de la diode, son courant augmente avec l'augmentation de la tension directe. Pour une diode idéale, ce graphique tend vers l'infini. En pratique, ce paramètre est limité par la capacité du dispositif semi-conducteur à dissiper la chaleur. Lorsqu'une certaine limite est atteinte, la diode surchauffe et tombe en panne. Pour éviter cela, les fabricants indiquent le courant admissible le plus élevé (sur le VAC - Imax). Il peut être grossièrement déterminé par la taille de la diode et de son boîtier. Par ordre décroissant:

• le courant le plus important est conservé par des appareils sous gaine métallique ;
• les boîtiers en plastique sont conçus pour une puissance moyenne;
• Les diodes dans des enveloppes de verre sont utilisées dans les circuits à faible courant.

Des appareils métalliques peuvent être installés sur des radiateurs - cela augmentera la puissance de dissipation.

Courant de fuite inverse

Si vous appliquez une tension inverse à la diode, un ampèremètre insensible ne montrera rien. En fait, seule une diode idéale ne laisse passer aucun courant. Un vrai appareil aura un courant, mais il est très petit, et s'appelle le courant de fuite inverse (sur le CVC - Iobr). C'est des dizaines de microampères ou des dixièmes de milliampères et beaucoup moins que le courant continu. Vous pouvez le trouver dans le répertoire.

Tension de claquage

À une certaine valeur de la tension inverse, une forte augmentation du courant se produit, appelée claquage. Il a un caractère de tunnel ou d'avalanche et est réversible. Ce mode est utilisé pour stabiliser la tension (avalanche) ou pour générer des impulsions (tunnel).Avec une nouvelle augmentation de la tension, le claquage devient thermique. Ce mode est irréversible et la diode tombe en panne.

Capacité parasite jonction pn

Il a déjà été mentionné que la jonction p-n a capacité électrique. Et si cette propriété est utile et utilisée dans les varicaps, alors dans les diodes ordinaires, elle peut être nocive. Bien que la capacité est en unités ou des dizaines de pF et à courant continu ou à basses fréquences est imperceptible, avec l'augmentation de la fréquence, son influence augmente. Quelques picofarads à RF créeront une résistance suffisamment faible pour les fuites de signaux parasites, ajouteront à la capacité existante et modifieront les paramètres du circuit, et, avec l'inductance de la sortie ou du conducteur imprimé, formeront un circuit de résonance parasite. Par conséquent, lors de la production de dispositifs haute fréquence, des mesures sont prises pour réduire la capacité de la transition.

Marquage des diodes

Le moyen le plus simple de marquer des diodes dans un boîtier métallique. Dans la plupart des cas, ils sont marqués de la désignation de l'appareil et de son brochage. Les diodes dans un boîtier en plastique sont marquées d'une marque circulaire du côté de la cathode. Mais rien ne garantit que le fabricant respecte strictement cette règle, il est donc préférable de se référer à l'annuaire. Mieux encore, faites sonner l'appareil avec un multimètre.

Les diodes zener domestiques à faible puissance et certains autres appareils peuvent avoir des marques de deux anneaux ou points de couleurs différentes sur les côtés opposés du boîtier. Pour déterminer le type d'une telle diode et son brochage, vous devez prendre un ouvrage de référence ou trouver un identifiant de marquage en ligne sur Internet.

Applications des diodes

Malgré la simplicité du dispositif, les diodes semi-conductrices sont largement utilisées en électronique :

1. Pour redresser Tension alternative. Un classique du genre - la propriété de jonction p-n est utilisée pour conduire le courant dans une direction.
2. détecteurs à diodes. Ici, la non-linéarité de la caractéristique I-V est utilisée, ce qui permet d'isoler les harmoniques du signal, dont les nécessaires peuvent être distingués par des filtres.
3. Deux diodes, connectées dos à dos, servent de limiteur pour les signaux puissants qui peuvent surcharger les étages d'entrée ultérieurs des récepteurs radio sensibles.
4. Les diodes Zener peuvent être incluses en tant qu'éléments anti-étincelles qui ne permettent pas aux impulsions haute tension d'entrer dans les circuits des capteurs installés dans des zones dangereuses.
5. Les diodes peuvent servir de dispositifs de commutation dans les circuits à haute fréquence. Ils s'ouvrent avec une tension constante et laissent passer (ou ne laissent pas passer) le signal RF.
6. Les diodes paramétriques servent d'amplificateurs de signaux faibles dans le domaine des micro-ondes en raison de la présence d'une section à résistance négative dans la branche directe de la caractéristique.
7. Les diodes sont utilisées pour assembler des mélangeurs fonctionnant dans des équipements d'émission ou de réception. Ils mélangent signal d'oscillateur local avec un signal haute fréquence (ou basse fréquence) pour un traitement ultérieur. Il utilise également la non-linéarité de la caractéristique courant-tension.
8. La caractéristique non linéaire permet l'utilisation de diodes hyperfréquences comme multiplicateurs de fréquence. Lorsque le signal traverse la diode multiplicatrice, les harmoniques supérieures sont mises en évidence. Ensuite, ils peuvent être sélectionnés par filtrage.
9. Les diodes sont utilisées comme éléments d'accord pour les circuits résonnants. Dans ce cas, la présence d'une capacité contrôlée à la jonction p-n est utilisée.
10. Certains types de diodes sont utilisés comme générateurs dans le domaine des micro-ondes. Il s'agit principalement de diodes tunnel et de dispositifs à effet Gunn.

Ceci n'est qu'une brève description des capacités des dispositifs semi-conducteurs à double borne. Avec une étude approfondie des propriétés et des caractéristiques à l'aide de diodes, il est possible de résoudre de nombreux problèmes confiés aux développeurs d'équipements électroniques.

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