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Principes de base et application des diodes Zener, PIN, Schottky et varicap

Par Art Pini

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Tandis que les diodes classiques au silicium ou au germanium fonctionnent correctement en tant que redresseurs et éléments de commutation dans la plupart des applications électroniques, des fonctions telles que l'accord électronique, l'atténuation électronique, le redressement à faible perte et la génération de référence de tension dépassent généralement leurs capacités. Initialement, des méthodes « force brute » plus primitives, coûteuses et volumineuses étaient utilisées pour accomplir ces tâches. Ces méthodes ont désormais cédé la place à des diodes à usage spécial plus élégantes, notamment des diodes varicap (pour « capacité variable »), PIN, Schottky et Zener.

Chacune de ces diodes a été conçue en améliorant des caractéristiques uniques afin de répondre à des applications de niche par des structures de diode à faible coût. L'utilisation de ces diodes à usage spécial limite la taille, le coût et l'inefficacité de solutions plus conventionnelles dans ces applications. Elles sont généralement utilisées dans des alimentations à découpage, des atténuateurs RF et hyperfréquences, des sources de signal RF et des émetteurs-récepteurs.

Cet article traite du rôle et du fonctionnement des diodes à usage spécial. Il aborde ensuite leurs caractéristiques typiques à partir d'exemples fournis par Skyworks Solutions et ON Semiconductor, avant de terminer par des exemples de circuit illustrant des façons de les utiliser efficacement.

Référence de tension de diode Zener

Les diodes Zener sont conçues pour maintenir une tension fixe aux bornes de la diode lorsqu'elle présente une polarisation inverse. Cette capacité est utilisée pour fournir des tensions de référence connues, une opération importante dans les alimentations. Les diodes Zener sont également utilisées pour couper ou limiter les formes d'onde, les empêchant ainsi de dépasser les limites de tension.

La diode Zener est fabriquée à l'aide de jonctions p-n fortement dopées, offrant ainsi une zone de déplétion particulièrement fine. Le champ électrique qui en résulte dans cette région est très élevé, même avec de faibles tensions appliquées. Dans ces conditions, l'un des deux mécanismes entraîne un claquage de la diode, créant alors un courant inverse élevé :

  • Dans la première condition, le claquage Zener se produit à des tensions inférieures à 5 volts et est la conséquence d'un effet tunnel quantique électronique
  • Le second mécanisme à l'origine du claquage correspond à des tensions supérieures à 5 volts ; le claquage étant le résultat d'un claquage par avalanche ou d'une ionisation par choc

Dans les deux cas, le fonctionnement de la diode est similaire (Figure 1).

Schéma du symbole schématique pour une diode ZenerFigure 1 : Illustration du symbole schématique d'une diode Zener, accompagné de sa courbe caractéristique courant-tension. La courbe caractéristique courant-tension d'une diode Zener présente une zone de conduction directe normale, mais avec une polarisation inverse, elle se décompose avec une tension constante aux bornes de la diode. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Lorsque la diode Zener est polarisée en sens direct, elle se comporte comme une diode standard. En polarisation inverse, elle présente un claquage lorsque le niveau de polarisation inverse dépasse le niveau de tension Zener, VZ. À ce stade, la diode maintient une tension quasi constante entre la cathode et l'anode. Le courant minimum pour conserver la diode dans la région de claquage Zener est IZmin ; le courant maximum déterminé par la dissipation de puissance nominale de la diode est IZmax. Le courant doit être limité par une résistance externe afin d'éviter la surchauffe et la défaillance. Cette situation est illustrée par le schéma d'un régulateur de tension de base à diode Zener construit autour d'une diode Zener 1N5229B d'ON Semiconductor (Figure 2).

Image du schéma d'un régulateur de tension de base utilisant une diode Zener (cliquez pour agrandir)Figure 2 : Schéma d'un régulateur de tension de base utilisant une diode Zener, accompagné de la réponse de régulation de charge. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La diode Zener 1N5229B présente une dissipation maximale de 500 milliwatts (mW) à une tension Zener nominale de 4,3 volts. La résistance série (R1) de 75 ohms (Ω) limite la dissipation de puissance à 455 mW à vide. La dissipation de puissance diminue lorsque le courant de charge augmente. La courbe de régulation de charge est indiquée pour des valeurs de résistance de charge comprises entre 200 Ω et 2000 Ω.

En plus de la régulation de tension, les diodes Zener peuvent être raccordées tête-bêche pour offrir une limitation de tension contrôlée à la tension Zener, plus la valeur de chute de tension directe. Un limiteur Zener de 4,3 volts définirait la limite à ±5 volts. Les applications de limitation peuvent être étendues à des circuits de protection contre les surtensions plus généraux.

Diode Schottky

La diode Schottky, ou diode à porteurs chauds, est basée sur une jonction métal/semi-conducteur (Figure 3). Le côté métal de la jonction forme l'anode et le côté semi-conducteur correspond à la cathode. En cas de polarisation dans le sens direct, la chute de tension directe maximale de la diode Schottky se situe dans une plage comprise entre 0,2 et 0,5 V, selon le courant direct et le type de diode. Cette faible chute de tension directe est particulièrement utile lorsque la diode Schottky est utilisée en série avec une source d'alimentation, comme dans des circuits de protection de tension inverse, car elle réduit les pertes de puissance.

Schéma de la structure physique de la diode SchottkyFigure 3 : La structure physique de la diode Schottky est basée sur une jonction métal/semi-conducteur de type N, offrant une faible chute de tension directe et des délais de commutation très rapides. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

L'autre caractéristique importante de ces diodes est leur délai de commutation très rapide. Contrairement aux diodes standard qui prennent du temps pour supprimer une charge de la zone de déplétion lors du passage d'une condition activée à une condition désactivée, la diode Schottky ne présente aucune zone de déplétion associée à la jonction métal/semi-conducteur.

Les diodes Schottky disposent de tensions nominales inverses de crête limitées par rapport aux diodes à jonction au silicium. Cette propriété limite généralement leur utilisation à des alimentations à découpage basse tension. Le dispositif 1N5822RLG d'ON Semiconductor présente une tension nominale inverse de crête (PRV) respectable de 40 V et un courant direct maximum de 3 A. Il peut être appliqué à différents domaines d'une alimentation à découpage (Figure 4).

Schéma d'applications typiques de diodes SchottkyFigure 4 : Exemples d'applications typiques de diodes Schottky dans des alimentations à découpage, notamment pour la protection de retour de puissance (D1) et la suppression transitoire (D2). (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Les diodes Schottky peuvent être utilisées pour protéger les circuits des régulateurs de toute application accidentelle d'une polarité inversée à l'entrée. La diode D1 est utilisée à cette fin dans l'exemple. Le principal avantage de la diode dans cette application est sa faible chute de tension directe. Une fonction plus importante offerte par une diode Schottky (D2 dans cet exemple) est le trajet de retour pour le courant dans l'inductance, L1, lorsque le commutateur est désactivé. D2 doit être une diode rapide connectée à l'aide d'un câblage court à faible inductance afin d'assurer cette fonction. Les diodes Schottky permettent d'obtenir les meilleures performances dans cette application pour des alimentations basse tension.

Les diodes Schottky peuvent également être utilisées dans des conceptions RF où leur commutation rapide, leurs faibles chutes de tension directe et leur faible capacité font d'elles des éléments utiles pour les détecteurs et les commutateurs échantillonneurs.

Diode varicap

La diode varicap est une diode à jonction conçue pour offrir une capacité variable. La jonction P-N présente une polarisation inverse et la capacité de la diode peut varier en modifiant la polarisation continue appliquée (Figure 5).

Schéma d'une diode varicap offrant une capacité variableFigure 5 : La diode varicap offre une capacité variable selon la polarisation inverse appliquée. Plus le niveau de polarisation est élevé, plus la capacité est faible. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La capacité de la diode varicap varie de façon inversement proportionnelle à la polarisation continue appliquée. Plus la polarisation inverse est élevée, plus la zone de déplétion de la diode est vaste, et par conséquent plus la capacité est faible. Cette variation est visible dans le graphique représentant la capacité par rapport à la tension inverse pour la diode varicap à jonction hyper abrupte SMV1801-079LF de Skyworks Solutions (Figure 6).

Graphique de la capacité d'une diode varicap SMV1801-079LF de Skyworks SolutionsFigure 6 : Capacité d'une diode varicap SMV1801-079LF de Skyworks Solutions en tant que fonction de la tension de polarisation inverse. (Source de l'image : Skyworks Solutions)

Ces diodes offrent une tension de claquage élevée, ainsi que des tensions de polarisation pouvant atteindre 28 V, et elles peuvent être appliquées à une plage de réglages étendue. La tension de commande doit être appliquée à la diode varicap afin de ne pas gêner la polarisation à l'étape suivante ; elle présente d'ailleurs généralement un couplage capacitif comme indiqué à la Figure 7.

Schéma d'un oscillateur réglé par diode varicap couplée CA à la diode varicapFigure 7 : Oscillateur réglé par diode varicap couplée CA à la diode varicap, D1, à l'oscillateur par le condensateur C1. La tension de commande est appliquée par la résistance R1. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La diode varicap est couplée CA au circuit oscillant final par l'intermédiaire d'un important condensateur, C1. La diode varicap, D1, est ainsi isolée des tensions de polarisation du transistor, et vice versa. La tension de commande est appliquée via la résistance isolante, R1.

Des diodes varicap peuvent remplacer des condensateurs variables dans d'autres applications, telles que le réglage de filtres RF ou hyperfréquences, dans des modulateurs de fréquence ou de phase, dans des déphaseurs ou dans des multiplicateurs de fréquence.

Diode PIN

La diode PIN est utilisée en tant que commutateur ou atténuateur des fréquences RF et des hyperfréquences. Elle est constituée d'une couche de semi-conducteur intrinsèque haute résistivité en sandwich entre les couches de type P et de type N d'une diode classique ; d'où le nom de PIN, qui reflète la structure de la diode (Figure 8).

La diode non polarisée ou à polarisation inverse ne dispose d'aucune charge stockée dans la couche intrinsèque. Il s'agit de la condition désactivée des applications de commutation. L'insertion de la couche intrinsèque augmente la largeur effective de la zone de déplétion de la diode, ce qui entraîne une capacité très faible et des tensions de claquage plus élevées.

Schéma de la structure d'une diode PINFigure 8 : La structure d'une diode PIN inclut une couche de matériau semi-conducteur intrinsèque entre respectivement les matériaux P et N des électrodes anode et cathode. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La condition de polarisation directe entraîne des trous et l'injection d'électrons dans la couche intrinsèque. Ces porteurs ont besoin de temps pour se recombiner les uns aux autres. Cette durée est appelée durée de vie des porteurs, « t ». Une charge stockée moyenne permet de réduire la résistance effective de la couche intrinsèque à une résistance minimale, RS. En condition de polarisation directe, la diode est utilisée en tant qu'atténuateur RF.

La matrice de diodes PIN SMP1307-027LF de Skyworks Solution combine quatre diodes PIN dans un boîtier commun pour une utilisation en tant qu'atténuateur RF/hyperfréquence sur la plage de fréquences comprise entre 5 mégahertz (MHz) et 2 gigahertz (GHz) (Figure 9).

Schéma de la matrice de diodes PIN SMP1307-027LF de Skyworks SolutionsFigure 9 : Circuit d'atténuateur à diode PIN basé sur la matrice de diodes PIN SMP1307-027LF de Skyworks Solutions. Le graphique illustre l'atténuation par rapport à la fréquence, avec la tension de commande en tant que paramètre. (Source de l'image : Skyworks Solutions)

La matrice de diodes PIN est conçue pour des atténuateurs à configuration Pi et Tee à faible distorsion. La résistance effective, RS, correspond à un maximum de 100 Ω à 1 mA et 10 Ω à 10 mA, selon une durée de vie des porteurs de 1,5 microseconde (µs). Elle est destinée aux applications de distribution de signaux TV.

Conclusion

Ces diodes à usage spécial sont devenues des éléments incontournables des conceptions de circuits électroniques, car elles constituent une solution élégante pour des fonctions clés auparavant exécutées par une technologie à présent obsolète. Les diodes Zener permettent des références de tension faibles ; les diodes Schottky réduisent les pertes de puissance et offrent une commutation rapide ; les diodes varicap facilitent l'accord électronique et remplacent les condensateurs variables mécaniques encombrants ; tandis que les diodes PIN remplacent les commutateurs RF électromécaniques par une commutation RF à action instantanée.

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À propos de l'auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini est un auteur-collaborateur chez Digi-Key Electronics. Il est titulaire d'une licence en génie électrique du City College of New York et d'un master en génie électrique de la City University of New York. Il affiche plus de 50 ans d'expérience en électronique et a occupé des postes clés en ingénierie et en marketing chez Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek et Nicolet Scientific. Il s'intéresse aux technologies de mesure et possède une vaste expérience des oscilloscopes, des analyseurs de spectre, des générateurs de formes d'ondes arbitraires, des numériseurs et des wattmètres.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key