Le portail a été désactivé. Veuillez contacter l'administrateur de votre portail.

Vidéo de la leçon : Diodes Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire le fonctionnement des diodes et à identifier les matériaux qui les constituent.

20:57

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons parler d’un composant présent dans les circuits électriques appelé diode. Nous allons aborder la fonction d’une diode dans un circuit électrique ainsi que sa composition.

Réfléchissons tout d’abord à ce que fait une diode en fait. Une diode est un composant de circuit électrique qui laisse le courant circuler dans un sens mais pas dans le sens opposé. Voici le symbole représentant une diode dans un circuit. Et c’est en fait l’un des symboles les plus pratiques parce que la flèche nous indique la direction dans laquelle un courant de sens conventionnel est autorisé à circuler à travers la diode. Et rappelez-vous, en passant, que le sens conventionnel du courant correspond au déplacement des charges positives.

Ainsi, par exemple, si nous prenons cette diode et si nous la connectons en série avec un générateur et une résistance, alors si le générateur est orienté de cette manière, le courant de sens conventionnel sera délivré par la borne positive, passera par la diode dans la direction autorisée, puis passera dans la résistance, puis fera le tour du circuit jusqu’à arriver à la borne négative de la batterie. C’est-à-dire qu’avec le générateur et la diode orientés comme cela, un courant composé de charges positives va circuler dans le circuit dans le sens des aiguilles d’une montre.

Cependant, si nous prenons la circulation des électrons, qui sont des particules chargées négativement, ils sont délivrés par la borne négative du générateur et passerons à travers la résistance et la diode dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. Et c’est en fait la direction autorisée pour la circulation des particules chargées négativement. Parce que, rappelez-vous, la flèche sur la diode indique seulement la direction dans laquelle les charges positives peuvent circuler. Et les charges négatives peuvent donc circuler à travers la diode dans l’autre sens.

Cependant, si nous inversons la polarité du générateur de sorte que la borne positive soit maintenant ici et la borne négative ici, et si nous reprenons le sens conventionnel du courant, le générateur va donc maintenant essayer d’établir un courant circulant dans cette direction, depuis la borne positive, puis passant à travers la résistance, puis arrivant à la diode. Cependant, la diode ne permet pas aux charges positives de circuler dans cette direction. Et il n’y aura donc pas de courant dans ce circuit. Si nous prenons de la même manière la circulation des charges négatives, la circulation des électrons, alors le générateur essaie de faire circuler les électrons par là. Cependant, les charges négatives ne peuvent pas passer à travers la diode dans ce sens. Et donc, comme nous l’avons vu précédemment, il n’y aura pas de courant dans ce circuit.

Voilà donc la fonction et le comportement d’une diode idéale. Et, oui, dans ce circuit, nous parlons de composants idéaux. Mais comme nous le verrons bientôt, les diodes réelles ne se comportent pas tout à fait comme les diodes idéales. De même que, par exemple, les fils réels ont en fait une certaine résistance, alors que nous les modélisons dans les schémas électriques comme des fils idéaux n’ayant aucune résistance. Les composants réels ne se comportent donc pas exactement comme leurs équivalents idéaux. Et il n’y a pas d’exception pour les diodes. Mais gardons cela en tête, nous y reviendrons dans un instant.

Tout d’abord, prenons une diode idéale, encore une fois, dans un circuit idéal. Enlevons maintenant la résistance. Et, au lieu de cela, plaçons un ampèremètre comme cela, ainsi qu’un voltmètre en parallèle avec la diode. Et enlevons également le générateur et transformons-la en une source de tension variable. Donc, le but de tout cela est de faire varier la tension émise par la source de tension variable et d’examiner la tension associée aux bornes de la diode, ainsi que le courant dans le circuit. Et parce que l’ampèremètre est monté en série avec la diode, il va donc mesurer le courant à travers la diode.

Maintenant, choisissons par convention que le courant circulant dans le sens des aiguilles d’une montre est positif. Et, par conséquent, toute différence de potentiel créant un courant circulant dans le sens des aiguilles d’une montre est une différence de potentiel positive. Définissons ensuite deux axes, avec le courant mesuré par l’ampèremètre ici sur l’axe vertical et la différence de potentiel 𝑉 mesurée aux bornes de la diode par le voltmètre. Et nous représentons cette différence de potentiel sur l’axe horizontal. Alors maintenant, avec le générateur orienté de cette manière, quelle que soit l’amplitude de la tension délivrée par le générateur, nous savons que le générateur essaie d’établir un courant circulant dans ce sens. Et c’est le sens conventionnel du courant.

Le générateur essaie donc de faire circuler les charges positives dans ce sens. Cependant, la diode ne le permet pas. Et, en fait, une diode idéale agira ainsi quelle que soit l’amplitude de la différence de potentiel délivrée par le générateur. Maintenant, rappelez-vous, nous avons dit précédemment que toute tension essayant de faire circuler un courant dans le sens des aiguilles d’une montre est une tension positive. Eh bien, dans ce cas, notre générateur tente de faire circuler un courant, un courant ayant un sens conventionnel, dans le sens négatif, dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. Et pour une diode idéale, si nous commençons avec une tension nulle et que nous augmentons la tension dans le sens négatif, nous verrons que le courant est nul quelle que soit la valeur de cette tension négative. Parce que peu importe les efforts fournis par le générateur pour faire circuler un courant dans le sens conventionnel dans cette direction, la diode ne le permettra pas. Et donc, notre graphique 𝐼 – 𝑉 est une droite de pente nulle pour toutes les valeurs de tension négative parce que le courant est nul.

Cependant, si nous inversons maintenant la polarité de notre source variable et augmentons lentement la tension dans cette direction, alors ce que nous voyons, c’est que le générateur essaie maintenant d’établir un courant de sens conventionnel circulant dans le sens des aiguilles d’une montre. Eh bien, dans cette situation, lorsque la tension de la source de tension variable augmente, le voltmètre mesure une tension croissante, car c’est aussi la tension aux bornes de la diode. Et nous nous attendons à voir le courant circuler immédiatement dès que la tension passe au-dessus de zéro. Une diode idéale, lorsqu’elle est dans la bonne orientation par rapport au générateur se comporte en fait comme un interrupteur fermé.

Et donc, à ce stade, les seuls composants que nous avons dans notre circuit sont le générateur, l’interrupteur fermé, le voltmètre et l’ampèremètre. Cela signifie tout simplement qu’un courant très important peut circuler car il n’y a pas de résistance s’opposant à ce courant. Et, par conséquent, ce que nous verrons sur un graphique courant-tension, c’est que dès que la tension passe au-dessus de zéro, nous obtenons une valeur très élevée pour le courant. Donc, ce que nous avons vu, c’est que si l’orientation de la diode est correcte par rapport au générateur – c’est-à-dire, si la diode autorise le passage du courant que le générateur essaie d’établir - alors la diode se comporte en fait comme un interrupteur fermé. Mais si on inverse la polarité du générateur et que le générateur essaie de faire circuler à travers le circuit un courant dans le sens contraire des aiguilles d’une montre, alors la diode se comporte en fait comme un interrupteur ouvert. Et cela empêche en fait toute circulation de courant dans le circuit.

Voilà donc le comportement d’une diode idéale. Et ce graphique représente sa courbe caractéristique 𝐼 – 𝑉, ou courant-tension. C’est-à-dire que ce graphique représente le comportement de la diode lorsque nous faisons varier la différence de potentiel aux bornes de la diode et que nous mesurerons le courant qui la traverse. Cependant, comme nous l’avons mentionné précédemment, les diodes réelles ne se comportent pas tout à fait comme les diodes idéales. Donc, voici de nouveau la courbe caractéristique 𝐼 – 𝑉 d’une diode idéale. Et voici la courbe caractéristique 𝐼 – 𝑉 d’une diode réelle, donc assez différente de ce qui était prévu.

Regardons cette section tout d’abord. Nous pouvons voir que pour des valeurs négatives très élevées de tension, il existe en fait un courant dans le sens négatif. C’est-à-dire que pour des tensions négatives très élevées, une vraie diode ne fonctionnera pas et permettra en fait à un courant de circuler dans la mauvaise direction. Donc si nous revenons à notre circuit précédent et si nous choisissons la polarité du générateur de sorte qu’il essaie de faire circuler un courant dans la mauvaise direction à travers la diode, ce que cette courbe 𝐼 – 𝑉 pour la diode réelle nous dit, c’est que si la différence de potentiel à travers la diode est suffisamment grande, alors un courant sera autorisé à circuler dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. Et donc, pour des tensions négatives très élevées, la diode ne fonctionne plus.

Maintenant, pour des valeurs de tension négatives plus faibles, une diode idéale ne permettrait à aucun courant de circuler à travers le circuit, alors que dans ce cas, nous avons un courant très faible circulant dans le circuit. Donc, même avec un générateur à polarité inversée, il existe un courant très faible qui traverse le circuit réel dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. Et la diode le permet. Maintenant, voyons ce qui se passe lorsque la tension est positive. Il faut donc inverser une fois de plus la polarité du générateur pour que le générateur essaie de faire circuler un courant dans la direction autorisée par la diode. Et, rappelez-vous encore une fois, que ce courant dont nous parlons circule dans le sens conventionnel.

Eh bien, avec une diode idéale, ce que nous nous attendons à voir, c’est que dès que la tension devient même légèrement supérieure à zéro, alors il y a circulation d’un courant très important dans le circuit. Parce que rappelez-vous, la diode idéale se comporte comme un interrupteur fermé dans cette situation. Cependant, la diode réelle se comporte un peu différemment. Ce que nous observons, c’est qu’il existe une certaine tension minimale à appliquer avant qu’un courant ne puisse circuler à travers le circuit. Cette tension est appelée la tension de seuil, que nous appellerons 𝑉 indice s. Pour une diode idéale, cette valeur vaut en fait zéro volt car dès que la tension dépasse cette valeur, un courant est immédiatement établi dans le circuit. Ce sont donc les principales différences entre la caractéristique 𝐼 – 𝑉 d’une diode idéale et d’une diode réelle.

Maintenant, tout ça est très bien, nous avons vu que les diodes sont des composants qui se comportent d’une manière particulière. Mais on peut se poser la question suivante : en quoi sont fabriquées les diodes, avec quels matériaux ? Eh bien, les diodes sont le plus souvent constituées de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium. Alors, un matériau semi-conducteur est un matériau qui ne conduit pas aussi bien l’électricité qu’un conducteur. Mais c’est un matériau qui est bien meilleur conducteur qu’un isolant. En d’autres termes, la conductivité d’un semi-conducteur se situe quelque part entre la conductivité d’un isolant et celle d’un conducteur. Et le silicium est un exemple de semi-conducteur. Un atome de silicium possède quatre électrons sur sa couche externe. Ce qui signifie qu’il peut engager des liaisons avec quatre autres atomes de silicium.

Ainsi, par exemple, si nous considérons cet atome de silicium, alors nous voyons qu’il est lié à celui-ci, celui-ci, celui-ci et celui-ci. Et la conséquence de cela, c’est que sur la couche externe de cet atome de silicium, il y a maintenant un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit électrons. C’est-à-dire une couche entièrement remplie. Quatre de ces huit électrons appartiennent à l’atome de silicium lui-même. Et les quatre autres appartiennent à quatre atomes de silicium avec lesquels l’atome est lié. Alors, le silicium est un matériau semi-conducteur. Parce que si nous prenons ce cristal de silicium et si nous le chauffons, certains des électrons dans ces liaisons pourraient atteindre des niveaux d’énergie plus élevés et s’échapper. Et donc, ce qui reste, ce sont des trous, avec l’espace pour un électron. Et cela signifie que d’autres électrons peuvent alors venir combler ces trous. Et comme les électrons sont des particules chargées, cela signifie qu’il peut y avoir une circulation de particules chargées - ou, en d’autres termes, un courant - dans le silicium.

Cependant, le silicium ne possède pas en soi de très bonnes propriétés de conduction. Et donc, ce que nous pouvons faire, c’est remplacer certains de ces atomes de silicium par des atomes d’un autre élément. Par exemple le bore. Le bore ne possède que trois électrons sur sa couche externe. Et donc, nous pouvons remplacer l’un de ces atomes de silicium, disons celui-ci, par un atome de bore au travers d’un processus qui s’appelle le dopage. Maintenant, parce que, à cet endroit, nous avons un atome de bore au lieu d’un atome de silicium, cet atome de bore a un électron de moins sur sa couche externe pour assurer la liaison. Et cela signifie que sans même avoir à chauffer le cristal de silicium, nous avons maintenant un trou qui aurait été occupé si cet atome était du silicium. Ce trou peut ensuite être occupé par d’autres électrons qui laissent derrière eux des trous lorsqu’ils prennent cette position.

Le bore étant un atome trivalent, ce qui signifie qu’il a trois électrons sur sa couche externe, nous avons donc maintenant un cristal de silicium dopé qui a plus de trous qu’il n’en aurait autrement. Et ces trous sont considérés comme chargés positivement parce qu’ils correspondent à l’absence d’électrons qui sont négatifs. Et l’absence de charge négative peut être considérée comme une charge positive. C’est la raison pour laquelle ce type de cristal de silicium dopé est appelé un semi-conducteur de type P ou de type positif. Cependant, si nous dopons notre cristal de silicium, avec un atome pentavalent - il s’agit donc d’un atome contenant cinq électrons sur sa couche externe par opposition aux quatre du silicium, un exemple d’atome pentavalent est le phosphore - alors ce que nous voyons c’est que le phosphore forme quatre liaisons avec les atomes de silicium qui l’entourent. Mais, maintenant, il y a un électron de trop provenant du phosphore qui se trouve en fait libre de se déplacer à l’intérieur du cristal.

Cela signifie qu’un atome pentavalent a un électron supplémentaire par rapport à un atome de silicium. Et cet électron supplémentaire est libre de se déplacer. Ce qui signifie que cette particule chargée négativement, cet électron, peut se déplacer créant une circulation de courant. Par conséquent, cela augmente également la conductivité de notre cristal de silicium. Et un cristal dopé avec un atome pentavalent est appelé un semi-conducteur de type N ou de type négatif. En effet, il fournit un excès de particules ou d’électrons chargés négativement.

Nous avons donc examiné les semi-conducteurs de type P et les semi-conducteurs de type N. Mais qu’est-ce que cela a à voir avec les diodes ? Eh bien, il se trouve que si on associe un semi-conducteur de type P et un semi-conducteur de type N, alors cette configuration se comporte comme une diode. En d’autres termes, connecter le générateur avec cette orientation permet une circulation de courant de sens conventionnel dans le sens des aiguilles d’une montre tel que nous l’avons dessiné. Et si nous changeons la polarité du générateur, alors le semi-conducteur de type P et le semi-conducteur de type N, connus sous le nom de jonction PN, ne permettent plus de créer un courant de sens conventionnel dans le sens contraire des aiguilles d’une montre dans le circuit. Et ainsi, l’ampèremètre mesurerait un courant nul. Alors, maintenant que nous avons examiné le fonctionnement d’une diode ainsi que sa composition, nous allons nous entraîner en regardant un exemple de question.

Laquelle des propositions suivantes décrit correctement une diode ? A) Une diode est un composant électronique qui émet de la lumière avec une très grande efficacité. B) Une diode est un composant électronique dont la résistance change en fonction de la quantité de lumière reçue. C) Une diode est un composant électronique qui permet à un courant de circuler seulement dans une direction. D) Une diode est un composant électronique qui peut être utilisé pour amplifier des signaux. E) Une diode est un composant électronique dont la résistance change en fonction de la température ambiante.

Donc dans cette question, parmi les propositions A à E, on nous a demandé de sélectionner celle qui décrit une diode. Pour répondre à cette question, il pourrait être utile de se souvenir du symbole correspondant à une diode. Une diode est représentée de cette manière dans un schéma électrique. Et ce symbole peut être particulièrement utile car on peut y voir une petite flèche. Et rappelons-nous que cette flèche indique la direction dans laquelle le courant de sens conventionnel est autorisé à passer à travers une diode. En d’autres termes, le courant de sens conventionnel, qui correspond au sens de circulation des charges positives, peut circuler dans cette direction mais pas dans l’autre sens. Et c’est ce qui caractérise le fonctionnement d’une diode. En d’autres termes, une diode est un composant électronique qui permet à un courant de circuler dans une direction. C’est donc la réponse à notre question.

En regardant rapidement les autres options, l’option A suggère qu’une diode est un composant électronique qui émet de la lumière avec une très grande efficacité. Ce type de composant est en fait un type très spécifique de diode, c’est une diode électroluminescente ou LED. Les LED émettent en effet de la lumière avec une très grande efficacité. Cependant, ce n’est pas la description d’une diode en général car toutes les diodes ne sont pas des diodes électroluminescentes. L’option A ne convient donc pas comme réponse à la question.

L’option B suggère qu’une diode est un composant électronique dont la résistance change en fonction de la quantité de lumière reçue Cela ressemble plus à une description d’une résistance photogénique ou photorésistance. Et donc, ce n’est pas la réponse à notre question non plus. L’option D suggère qu’une diode est un composant électronique qui peut être utilisé pour amplifier des signaux. Eh bien, cela ressemble beaucoup à un amplificateur, qui est souvent composé de transistors ainsi que d’autres composants bien sûr. Et donc, cela ne ressemble pas à la description d’une diode. Et, enfin, l’option E suggère qu’une diode est un composant électronique dont la résistance change en fonction de la température ambiante. Eh bien, ce type de composant dont la résistance dépend de la température est appelé thermistance. L’option E n’est donc pas non plus la réponse à notre question.

Après avoir fait cet exercice, résumons maintenant les points abordés dans cette leçon.

Nous avons vu, tout d’abord, que les diodes sont des composants électroniques qui permettent au courant de circuler à travers elles dans une direction mais pas dans la direction opposée. Nous avons également vu que les diodes sont représentées par ce symbole, ce qui est utile car la flèche indique la direction dans laquelle un courant de sens conventionnel peut circuler à travers la diode. Ensuite, nous avons vu que la caractéristique 𝐼 – 𝑉 d’une diode idéale ressemblent à ceci, alors que celle d’une diode réelle ressemblent à cela. Nous avons également vu que les matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, peuvent être dopés pour former des semi-conducteurs de type P, type positif, et de type N, type négatif.

Et, enfin, nous avons vu que les diodes sont généralement fabriquées à partir de silicium de type P, où un atome comme le bore ayant trois électrons sur sa couche externe remplace certains des atomes de silicium dans le cristal, et aussi de silicium de type N, où un atome pentavalent comme le phosphore remplace une partie du silicium. Et lorsque un semi-conducteur de type P et un semi-conducteur de type N sont associés ensemble pour créer une jonction PN, cela correspond au comportement d’une diode.

Nagwa utilise des cookies pour vous garantir la meilleure expérience sur notre site. En savoir plus sur notre Politique de Confidentialité.