Diodes

La diode est le composant semi-conducteur le plus simple de toute l'électronique — deux bornes, une seule idée : le courant passe dans un sens, pas dans l'autre. Cette page décortique la jonction PN, les seuils (silicium, germanium, Schottky), la courbe I(U) réelle derrière le « 0,7 V » de l'école, et les emplois qui ont fait son succès : redressement, protection de polarité, roue libre, référence de tension.

1. C'est quoi ?

Une diode est un composant à deux bornes polarisé : l'anode (A) et la cathode (K). Le courant conventionnel entre par l'anode et sort par la cathode ; dans ce sens (« direct », forward), la diode conduit comme un fil, dans l'autre (« inverse », reverse), elle bloque comme un interrupteur ouvert. Le symbole raconte tout : un triangle qui pointe vers une barre — la flèche du courant, et la barre qui désigne la cathode, celle que le boîtier marque d'une bague.

Retenez l'image du clapet anti-retour de plomberie : l'eau passe de A vers B, jamais de B vers A. La diode en est la version électronique, avec deux imperfections qu'on apprend à exploiter : le seuil, un péage d'environ 0,7 V avant que le courant ne s'installe, et la fuite, un courant résiduel minuscule (nA à µA) quand elle est bloquée.

On en croise partout, plusieurs dizaines par carte :

• derrière chaque transformateur d'alimentation, pour transformer l'alternatif en continu (le redressement) ;
• en protection de polarité en série sur le « + » : elle meurt à la place du circuit branché à l'envers ;
• en roue libre (freewheel) sur chaque bobine — relais, électrovanne, moteur — pour éponger la pointe de coupure ;
• en LED, qui est une diode choisie pour briller — voir les lampes LED de la couche 1 ;
• en Zener, pour une tension de référence stable en claquage inverse contrôlé.

2. Comment ça marche ?

Tout part d'un cristal de silicium dopé : zone N dopée au phosphore (électrons libres), zone P dopée au bore (lacunes, des « trous » chargés positivement). Collées l'une contre l'autre, ces zones forment la jonction PN : électrons et trous diffusent, se recombinent au contact et laissent derrière eux une bande appauvrie — la zone de déplétion — peuplée d'ions fixes. Cette bande crée un champ interne, une barrière d'environ 0,7 V pour le silicium : c'est elle qu'on manipule.

SchémaLa jonction PN et le symbole de la diode

En sens direct, la tension extérieure s'oppose à ce champ : dès qu'elle le dépasse, la barrière s'effondre, les porteurs traversent en masse, le courant explose. En sens inverse, la barrière s'élargit, ne subsiste qu'une fuite. Le courant direct suit l'équation de Shockley :

I = Is × (exp(U / (n × Vt)) − 1)

Le seuil — 0,6 à 0,7 V pour le silicium — n'est pas un mur : c'est le point où la courbe « décolle » au niveau des milliampères utiles ; il descend d'environ 2 mV par degré quand la diode chauffe. Les familles ne partagent pas le même seuil : le germanium conduit dès 0,3 V mais fuit beaucoup ; les Schottky (contact métal-semi-conducteur) tracent dès 0,3-0,4 V et commutent très vite ; les LED fixent 1,8 à 3,4 V selon la couleur ; la Zener n'est utile qu'à l'envers, en claquage contrôlé :

Famille	Seuil direct VF	Fuite inverse	Vitesse	Usage typique
Silicium (jonction PN)	0,6 à 0,7 V	nA à µA	lente à moyenne	redressement, protection, roue libre
Germanium	environ 0,3 V	µA (forte)	lente	obsolète — vieux circuits, détection
Schottky (métal-semi)	0,3 à 0,4 V	µA (forte)	très rapide	redressement basse tension, logique
Zener (utilisée en inverse)	0,7 V en direct	—	—	référence de tension, limitation
LED	1,8 à 3,4 V selon la couleur	quasi nulle	—	éclairage, signalisation

En sens inverse, deux limites figurent en tête de datasheet. La tension inverse répétitive VRRM : au-delà, la fuite s'emballe et la jonction entre en claquage par avalanche — destructif, sauf pour la Zener conçue pour y vivre. La fuite inverse IR : 25 nA pour une 1N4148 sous 20 V, 5 µA pour une 1N4007 sous 1 000 V — elle double à peu près tous les 10 °C.

Deux datasheets centenaires, côte à côte :

Caractéristique (max, 25 °C)	1N4007 — redressement	1N4148 — signal
Tension inverse répétitive VRRM	1 000 V	100 V
Courant direct moyen IF(AV)	1 A	150 mA
Pointe de surintensité IFSM	30 A	2 A
Chute directe VF	1,1 V à 1 A	1 V à 10 mA
Fuite inverse IR	5 µA	25 nA
Temps de récupération trr	quelques µs (lente)	4 ns (rapide)

Ordres de grandeur arrondis d'après Vishay (liens en fin de page). Réflexe de concepteur : VRRM au moins deux fois la tension du circuit, IF(AV) au moins deux fois le courant moyen — les marges coûtent des centimes.

3. Dans le vrai monde

Côté prix, la diode est le composant le plus « gratuit » de la boîte : quelques centimes, et les formats CMS dominent les cartes récentes.

Modèle	Format	Prix indicatif	Emploi classique
1N4007	axiale DO-41	0,05 à 0,10 €	redressement 1 A / 1 000 V, roue libre
1N4148	axiale DO-35 ou CMS SOD-123	0,02 à 0,05 €	signal, roue libre de petit relais
Schottky BAT54	CMS SOT-23	0,05 à 0,20 €	protection, détection rapide
Pont de Graëtz intégré	KBP, KBU à 4 broches	0,50 à 2 €	redressement complet prêt à souder
Diode de puissance	DO-201, DO-27	0,10 à 0,50 €	3 à 10 A, redresseurs de chargeurs

Le montage où la diode sauve des vies (de transistors) : la roue libre. Une bobine — relais, électrovanne, enroulement de moteur à courant continu — stocke du courant ; à la coupure, elle le maintient à tout prix et la tension à ses bornes flambe à des centaines de volts, qui percent le transistor. La parade : une diode en parallèle, bloquée au régime normal ; à la coupure, elle devient la boucle de décharge du courant de la bobine, plafonnant la pointe à −0,7 V au lieu de −100 V. C'est le composant invisible soudé aux bornes de chaque relais de carte Arduino, et la même logique pour les moteurs.

Autre terrain : la protection de polarité. En série sur le « + », la diode bloque une inversion mais préleve 0,7 V ; en parallèle « sens interdit » derrière un fusible, elle transforme l'inversion en court-circuit que le fusible coupe. Dès qu'on ne peut perdre 0,7 V (clés USB, logique 3,3 V), les Schottky prennent le poste.

4. Exemple pratique

Le réflexe d'atelier : mesurer la diode au multimètre en position « diode » — une VF finie (0,55 à 0,75 V en direct), « OL » (infini) en inverse ; courte dans les deux sens = court-circuit, infinie dans les deux sens = diode coupée.

Le simulateur ci-dessous trace la courbe I(U) complète d'une diode au silicium selon le modèle de Shockley. Déplacez le curseur de −5 V à +1 V et observez : le courant passe du nanoampère au milliampère sur moins de 0,3 V ; le régime bascule à « passante » vers 0,7 V alors que le compteur n'affiche encore que quelques µA — le seuil est une commodité de lecture ; et P = U × I reste minuscule tant que la diode ne conduit pas fort.

Exercice résolu — la résistance série d'une LED

Une LED standard (seuil 2 V, 20 mA max) sur une sortie 5 V : quelle résistance série ?

1. Tension à absorber : la LED se fixe à ses 2 V ; la loi des mailles donne le reste à la résistance : 5 − 2 = 3 V.
2. Résistance pour 20 mA : R = U / I = 3 / 0,020 = 150 Ω.
3. Choix normalisé : 150 Ω existe dans la série E12, mais elle fait circuler exactement le maximum — zéro marge. On prend la valeur standard supérieure, 180 Ω : I = 3 / 180 ≈ 16,7 mA ; la LED durera davantage, éclairage identique à l'œil.
4. Puissance dissipée : P = U × I = 3 × 0,020 = 60 mW (50 mW avec 180 Ω) — une résistance « quart de watt » 0,25 W convient très largement.

Exercice résolu — l'alimentation 12 V d'un transformateur

Un transformateur 230 V / 12 V efficace alimente, derrière un pont de Graëtz et un condensateur de filtrage, un circuit « 12 V ». Que vaut la tension continue disponible ? Le pont exploite les deux alternances — deux diodes à chaque alternance, toujours vers le « + » du haut, depuis le « − » du bas :

SchémaLe pont de Graëtz

1. Tension crête : « 12 V efficace » signifie que le sinus culmine bien au-delà — la valeur efficace n'est que 0,707 fois la crête :

Ucrête = 12 × 1,414 ≈ 17 V

2. Les seuils du pont : le courant traverse toujours deux diodes, on retire 2 × 0,7 ≈ 1,4 V : crête utile ≈ 15,6 V.
3. Rôle du condensateur de filtrage : sans lui, la sortie est un train de demi-sinus. Il se charge à la crête, puis alimente seul le circuit entre deux crêtes — toutes les 10 ms à 50 Hz pour un pont ; une diode seule (simple alternance) recharge toutes les 20 ms : ondulation doublée.
4. Choix du condo : un électrolytique 2 200 µF / 25 V — largement au-dessus des 15,6 V réels ; le calcul de l'ondulation est l'exercice résolu de la page condensateurs. Sous charge, la continue flotte entre 13 et 15,6 V : d'où le régulateur souvent ajouté derrière.

5. Vérifier sa compréhension

Réfléchissez avant de dérouler les réponses.

1. En position « diode », le multimètre affiche 0,58 V rouge sur une patte, noire sur l'autre, et « OL » dans l'autre sens. Dans quel sens la diode conduit-elle, où est la cathode ?
2. Pourquoi les alimentations 5 V et 3,3 V préfèrent-elles des Schottky, alors que les 12 V se contentent de silicium classique ?
3. Une carte commande un relais 12 V par un transistor, sans diode de roue libre. Que se passe-t-il à la coupure, chiffre à l'appui ?
4. Une 1N4148 (VRRM 100 V) se retrouve bloquée sous 12 V en inverse, puis sous 200 V. Que fait-elle dans chaque cas ?
5. Derrière un transformateur 9 V efficace suivi d'un pont de Graëtz : que valent la tension crête et la crête utile, une fois les seuils payés ?

6. Pour aller plus loin

• IEC 60747 (série) — « Dispositifs à semi-conducteurs — dispositifs discrets » (diodes rectificatrices en partie 2, LED en partie 5) : le socle normatif des VRRM, IF(AV) et VF, sur le catalogue de l'IEC.
• Vishay — datasheet de la famille 1N4001 à 1N4007 (redressement général 1 A / 1 000 V, roue libre citée parmi les applications) : vishay.com/docs/88503/1n4001.pdf.
• Vishay — datasheet de la 1N4148 (diode de commutation rapide, trr 4 ns) : vishay.com/docs/81857/1n4148.pdf.
• Nexperia — datasheet 1N4148 / 1N4448, la déclinaison CMS SOD-123 : datasheet Nexperia 1N4148 / 1N4448.
• ON Semiconductor — « Rectifier Applications Handbook » (HB214/D) : le manuel de référence du redressement, de la physique de la jonction au calcul des filtres, sur onsemi.com.