NDR

La résistance différentielle négative (NDR) se produit dans certains appareils électriques lorsqu'une augmentation de la tension appliquée entraîne en fait une diminution du courant qui les traverse, plutôt qu'une augmentation comme la loi d'Ohm le prédirait pour les conducteurs ordinaires. Ce comportement contre-intuitif apparaît dans la courbe caractéristique I-V comme une région où la pente est négative, ce qui signifie que l'appareil résiste plus fortement à mesure que la sollicitation électrique augmente.

Les diodes tunnel et les diodes Esaki sont les exemples classiques en physique des semi-conducteurs. Elles exploitent les effets de l'effet tunnel quantique dans des jonctions p-n fortement dopées pour créer cet effet. Les diodes à effet tunnel résonant (RTD) étendent le principe en utilisant des barrières hétérostructurelles et peuvent présenter des régions NDR prononcées. Les diodes Gunn utilisées dans les oscillateurs micro-ondes présentent également une NDR, bien que par un mécanisme différent impliquant des effets d'électrons transférés dans l'arséniure de gallium. Chaque type de dispositif a sa propre plage de tension où l'effet domine.

La valeur pratique de la NDR réside dans l'oscillation et la commutation. Parce que le dispositif a naturellement tendance à s'éloigner de la région NDR lorsqu'il est perturbé, les circuits construits autour de lui ont tendance à osciller spontanément à des fréquences déterminées par la droite de charge et l'inductance du circuit. Les diodes tunnel sont utilisées depuis des décennies dans les oscillateurs fonctionnant des basses fréquences aux bandes micro-ondes. La vitesse est limitée principalement par la capacité et la résistance de la jonction, et non par le temps de transit des porteurs, ce qui les rend précieuses là où la vitesse de commutation des semi-conducteurs est importante.

Où la NDR crée des problèmes

Dans l'électronique de puissance et les applications à l'échelle du réseau, des comportements de type NDR peuvent apparaître involontairement dans certains régimes de fonctionnement et provoquer une instabilité. Les onduleurs et les convertisseurs de puissance peuvent présenter des régions dans leurs caractéristiques de commande qui ressemblent à la NDR, entraînant une résonance sous-synchrone ou un effondrement de tension si l'impédance du réseau interagit mal avec les boucles de commande. Les ingénieurs concevant de grands systèmes d'énergie renouvelable doivent vérifier ces interactions dans leurs études de stabilité.

Le nom « résistance différentielle négative » décrit directement les mathématiques: si vous calculez la résistance différentielle comme dV/dI (la pente de la courbe tension-courant), vous obtenez un nombre négatif dans la région problématique. Cela la distingue nettement de la résistance statique, qui est V/I et toujours positive. Le terme est resté standard depuis les années 1950 car il capture précisément le phénomène physique sans invoquer la physique des dispositifs ou les applications.