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diode

Composant électronique comportant deux électrodes et ne laissant passer le courant électrique que dans certaines conditions de polarité bien déterminées.

C’est l’Anglais John Ambrose Fleming qui invente la diode en 1904, à partir des travaux de Thomas Edison et Joseph J. Thompson. Avant l’utilisation des semi-conducteurs, les diodes se présentent sous la forme de tubes électroniques. Puis, le principe de la diode est amélioré tout au long de la première moitié du xxe siècle, où l’on voit apparaître différents types de diodes aux applications variées : rôle d’interrupteur, redressement d’un courant alternatif en courant continu, oscillateur en télécommunication, etc. Jusqu’à l’invention du transistor en 1947, la diode constitue l’élément clé de l’électronique avec des applications industrielles, militaires et scientifiques : radio, télévision, radar, oscilloscope, ordinateur, etc.

Dans la seconde moitié du xxe siècle, de nouveaux types de diodes font leur apparition, en particulier les diodes électroluminescentes (DEL en français, ou LED en anglais pour light emitting diode).

1. Diode à jonction

Une diode à jonction est réalisée à partir de corps semi-conducteurs (silicium, germanium, arséniure de gallium). Par exemple, on part d’une plaquette de semi-conducteur de type P (c’est-à-dire dans lequel il manque des électrons libres) et l’on forme une zone N (caractérisée par un excès d’électrons libres) en introduisant des impuretés (de l’antimoine, du phosphore) en un point déterminé de la plaquette (dopage du semi-conducteur). La région de contact entre le semi-conducteur P et le semi-conducteur N est appelée « jonction PN ». Du fait de la répartition très différente des électrons libres dans les deux zones, cette jonction présente la remarquable propriété de ne permettre le passage du courant que de la zone P vers la zone N (sens direct ou sens passant).

Les électrodes sont placées sur ces zones afin de pouvoir insérer facilement la diode dans un circuit électrique. Celle qui se trouve au contact de la zone P est l’anode, l’autre est la cathode. Du point de vue électrique, pour bien caractériser une diode à jonction on trace la courbe donnant l’intensité I du courant dans la diode en fonction de la tension U appliquée entre ses bornes ; cette courbe est la caractéristique de la diode. Pratiquement, dans le sens direct, le courant est négligeable tant que la tension U ne dépasse pas un seuil U0 (0,7 V environ pour le silicium). Au-delà de ce seuil, I croît très rapidement tandis que la tension U n’augmente que très faiblement. Dans le sens inverse, le courant peut être considéré comme nul quelle que soit la tension tant que celle-ci n’est pas trop grande (au-delà d’une limite, la jonction est détruite : il y a claquage). L’intensité du courant inverse croît rapidement si la température de la jonction augmente ; pour éviter cet inconvénient, les diodes sont souvent placées sur des dispositifs de refroidissement (radiateurs à ailettes, par exemple).

La conduction unidirectionnelle des diodes permet de les utiliser pour le redressement d’un courant alternatif, pour la détection en radioélectricité, pour le tri des impulsions selon leur polarité, etc.

2. Tube diode à vide

Un tube diode est formé de deux électrodes placées dans un tube de verre où l’on a fait le vide : la cathode émet des électrons lorsqu’elle est chauffée (effet thermoélectronique) et l’anode permet de les capter. La cathode peut être un filament de tungstène ou de tungstène thorié (c’est-à-dire en tungstène additionné d’oxyde de thorium) dans lequel passe le courant utilisé pour chauffer cette électrode (cathode dite à chauffage direct). Le plus souvent la cathode est un tube métallique (en nickel) recouvert d’oxydes de calcium, de baryum ou de strontium (cathode dite à chauffage indirect) qui émettent facilement des électrons sans qu’il soit nécessaire d’atteindre des températures de chauffage aussi élevées que pour le tungstène (800 °C contre 2 000 °C). À l’intérieur du tube constituant la cathode se trouve un filament de chauffage en tungstène. L’anode est une plaque de métal noircie (nickel ou fer aluminé ; la nature du métal n’a pas d’influence sur le fonctionnement).

Lorsque la cathode est froide, aucun électron n’est émis et le tube ne peut être traversé par un courant. Lorsque la cathode est chauffée, il y a émission d’électrons, mais le tube ne permet pas forcément le passage d’un courant. En effet, il y a passage de courant seulement si des électrons passent de la cathode à l’anode. L’électron portant une charge négative, il faut rendre l’anode positive par rapport à la cathode ; le courant, dont le sens conventionnel est l’inverse du sens de circulation des électrons, passe donc de l’anode vers la cathode.

Comme pour une diode à jonction, on trace une caractéristique donnant l’intensité du courant IA en fonction de la tension anode-cathode UA. Cette courbe permet de mettre en évidence les résultats précédents : la diode n’est conductrice que si l’anode est positive par rapport à la cathode (sens direct ou passant). Dans le cas contraire (sens inverse), le courant est nul.

Le courant de saturation d’une diode est celui obtenu lorsque tous les électrons émis par la cathode sont captés par l’anode. Ce cas de fonctionnement se rencontre quelquefois (cathode à chauffage indirect peu chauffée et cathode à chauffage direct) lorsque la tension anode-cathode UA est suffisamment grande.

3. Diode Zener

Une diode Zener est une diode à jonction particulière : un dopage approprié permet de lui conférer des propriétés déterminées. En direct, une diode Zener se comporte absolument comme une diode à jonction. En inverse, deux régimes de fonctionnement sont possibles : tant que la tension aux bornes de la diode est inférieure à un seuil Vz, aucun courant ne peut traverser la diode ; lorsque la tension est égale à Vz, la diode est conductrice.

4. Diode électroluminescente (DEL ou LED)

Une diode électroluminescente (DEL en français, ou LED en anglais pour light emitting diode) est une diode qui émet un rayonnement lumineux lorsqu’elle est traversée par un courant dans le sens direct.

4.1. Principe de fonctionnement

L’élément principal d’une DEL est une puce à semi-conducteur (→ circuit intégré). Une telle puce est constituée d’un empilement de couches : la première, déposée sur un support, contient un excès d’électrons ; elle est dite de type n (pour négatif). Une autre couche, dite de type p (pour positif), située sur le dessus de la puce, présente au contraire un déficit d’électrons (ou un excès de particules chargées positivement, appelés « trous »). Entre ces deux couches n et p se trouve la couche dite active d’où est émise la lumière. Une différence de potentiel appliquée sur la puce semi-conductrice repousse vers la couche active des « trous » (des « charges positives ») de la couche de type p, et des électrons de la couche n.

L’émission de lumière résulte de la capture, dans la couche active, des électrons par les trous (ions positifs). En effet, un atome ne passe à l’état d’ion que s’il reçoit une énergie W suffisante ; la transformation inverse s’accompagne donc de l’émission de la même quantité d’énergie W. La quantité de photons libérés, et leur longueur d’onde, c’est-à-dire leur « couleur » (→ spectre), dépend de la composition chimique des différentes couches. Cette émission se fait sous forme calorifique dans le cas du silicium et du germanium, sous forme d’un rayonnement lumineux rouge dans le cas de l’arséniure de gallium. Pour obtenir le maximum de lumière, la jonction est réalisée en surface.

4.2. Historique et applications

Le premier brevet d’une diode électroluminescente a été déposé en 1927 par un technicien radio soviétique, Oleg Vladimirovich Losev. Dans les années 1960 ont été découvertes tour à tour des diodes électroluminescentes émettant dans le rouge et le vert, puis dans le jaune et l’orange. Ces diodes ont alors été utilisées principalement pour réaliser des dispositifs d’affichage (par exemple, pour les calculatrices) et des voyants lumineux (témoins de veille ou de fonctionnement d’appareils électriques, signalisation...) en raison de leur tension d’alimentation adaptée à l’électronique et de leur longue durée de vie.

L’apparition, en 1992, de la diode blanche, grâce aux travaux du chercheur japonais Shuji Nakamura, a ouvert aux diodes électroluminescentes un nouveau champ d’application : celui de l’éclairage. Ces sources de lumière, colorée ou non, sont désormais omniprésentes dans les jouets, les objets publicitaires, les guirlandes lumineuses, les phares de voitures, etc. Leur emploi comme sources mobiles d’éclairage (liseuses, lampes torches) se répand aussi et l’on place de grands espoirs dans leur utilisation future tant pour l’éclairage public que pour l’éclairage domestique en raison de leur faible consommation, de leur très longue durée de vie (jusqu’à 50 000 h pour les plus performantes, soit plus de 13 ans sur la base d’un service de 10 h par jour) et de l’absence d’émissions nocives pour l’environnement qui les caractérise. Cependant, leur coût élevé, leur très forte émission de chaleur et l’utilisation de matériaux rares (indium, gallium) et toxiques (arsenic) dans leur fabrication, constituent leurs principaux handicaps.