1-ière partie: électronique analogique 1. des charactéristiques

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Haute école spécialisée bernoise, TI
DIVISION MICROTECHNIQUE
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1-IÈRE PARTIE: ÉLECTRONIQUE ANALOGIQUE
1. DES CHARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES DE LA
MATIÈRE CONDENSÉE
1.1. INTRODUCTION
Pour pouvoir comprendre comment les semi-conducteurs fonctionnent, il est utile, de s'occuper d’abord de
la structure et des caractéristiques électriques de la matière condensée.
1.2. LES ATOMES, BASE DE LA MATIÈRE
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But de ce chapitre:
 Donner un aperçu de la structure atomique de la matière.
 Présenter le modèle atomique moderne et les niveaux d’énergie.
 Comprendre ce qu’est l’ionisation et les électrons de valence.
Mots clés:
Modèle atomique, niveaux d’énergie, ionisation, électrons de valence
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1.2.1. LA STRUCTURE ATOMIQUE
L’atome d’un gaz rare (néon) et d’un métal (cuivre).
P. Walther, T. Kluter 20010 ____________________________________________________________ 1
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Le noyau de l'atome est responsable du poids de l’atome et les électrons contribuent surtout au volume.
Les électrons sont responsables de la structure atomique et:
 des liaisons atomiques
 de l'émission de lumière et absorption
 du courant électrique
Quelques exemples d’orbites:
Couches d'électrons pour différentes excitations.
La dénomination des couches d’électrons est: K, L, M, N, O, etc.
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Encadré, les éléments possibles pour des éléments électroniques
Voire: www://flf-services.de
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Nombre d'électrons dans les différentes couches (K...Q) des éléments existants. Les métaux possèdent
peut d'électrons dans la couche externe. Les semi-conducteurs, utilisables comme éléments électroniques
de base en possèdent quatre (Si, Ge, C ).
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1.2.2 DES NIVEAUX D'ENERGIE DES ATOMES
Spectre atomique de l'hydrogène théorique
Spectre atomique de l'hydrogène mesuré
Transitions possibles entre différentes couches
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Quelle: Atomos; Uni Würzburg
Niveaux d'énergie de l'hydrogène. Seulement des niveaux discrets sont possibles, correspondantes aux
différentes orbites de l'électron. L'excitation d'un niveau à l'autre peut être causée par un photon de
l'énergie correspondante.
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1.2.3. L’IONISATION
Si l'énergie d'excitation dépasse une valeur bien définie, l'électron est séparé du noyau et l'atome est
ionisé.
1.2.4. LES ELECTRONS DE VALENCE
Les électrons de valence sont responsables pour les liaisons entre des atomes voisins.
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Questions de répétition:
1. Quelle est le rôle des électrons?
2. Quelle est la dénomination des différentes couches d’électrons?
3. Quelle configuration des électrons est typique pour les métaux?
4. Quel rôle jouent les électrons des couches extérieurs?
5. Qu'est-ce que l'ionisation?
6. Chercher les éléments d’une valence de 3, 4, et 5 dans la tabelle des éléments.
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1.3. LA MATIÈRE CONDENSÉE
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But de ce chapitre:
 Faire connaissance de la structure atomique
 de la classification de la matière selon les caractéristiques électriques
 du modèle des bandes des solides
 du mécanisme de la conduction électrique
 de l’influence du dopage des semi-conducteurs sur leurs conductances électrique
Mots clés:
Conducteurs, non-conducteurs, semi-conducteurs, réseau cristallin, dopage
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1.3.1. LA STRUCTURE CRISTALLINE
Tous les métaux, les semi-conducteurs, quelques isolateurs comme le mica, le quartz, des sels, comme le
NaCl, KCl, etc., montre un réseau atomique régulier. Il y a totalement 14 réseaux atomiques de base, qui
sont montrés ci-dessous. Pour l’électronique la structure du diamant (Zinkblende) joue un rôle important.
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Voici un exemple d’un réseau atomique sous forme de cube avec atome au centre. Les vecteurs de base
servent à décrire les places des atomes.
Pour s’imaginer un peut mieux l’ordre des distances entre les atomes dans un réseau atomique, voici
quelques exemples de métaux ordinaires.
Comme déjà mentionné, la structure du réseau atomique du diamant est très important pour l’électronique.
Le silicium et le germanium possèdent la même structure. Tous ont une valence de quatre. Les quatre
liaisons vers les atomes voisins sont bien visibles.
1
2
3
4
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Dans la tabelle ci-dessous quelques exemples des distances atomiques des réseaux atomiques d’une
structure de diamant.
o
o
-10
La figure ci-après montre des diamètres des éléments et leurs ions en A, (1A = 1*10 m).
1.3.2. LE MODÈLE DE BANDES
Les molécules qui sont constitués d’atomes montrent des niveaux d’énergie différentes à ceux d’un atome
simple à cause de l’influence mutuel. Un seul atome montre des niveaux exactes. Quelques atomes dans
un molécule montrent des niveaux avec multiple lignes. Si le nombre d’atomes augmente beaucoup, ce qui
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est le cas dans les réseaux cristallin des solides, les lignes ne sont plus à distinguer. Les lignes deviennent
des bandes.
1.3.3. LES ISOLANTS
Les isolants ne possèdent pas d’électrons dans leur structure cristalline. Ils ont une bande de conduction,
mais le fait que la différence d’énergie entre la bande de valence et le bande de conduction ne permette
pas une conduction électrique. À la température ambiante il n’est pas occupé d’électrons. À des
températures très élevées la bande est occupée d’électrons mais la structure cristalline est à ces
températures détruite. À ces températures ils se comportent comme des conducteurs électriques.
1.3.4. LES MÉTAUX
Chez les métaux, les bandes de valence et de conduction se trouvent l’une près de l’autre. Il y a quelques
métaux, où il y a même une superposition de ces bandes. Dans ce cas, aucune énergie externe est
nécessaire pour occuper la bande de conduction d’électrons. La bande est déjà occupée. Ce sont en
général des électrons de la couche d’électrons extérieure de l’atome. Une conséquence de ce fait est la
faible dépendance de la conduction électrique de la température.
Drude proposait un modèle pour la conduction électrique des métaux. Dans ce modèle, le noyau de
l’atome et les électrons du corps sont fixés dans le réseau cristallin et les électrons libres forment un lac
d’électrons. Ces électrons peuvent se déplacer librement à gauche et à droite.
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L’atome du cuivre
Le modèle de Drude expliquant la conduction électrique des métaux.
1.3.5. LES SEMI-CONDUCTEURS
Chez les semi-conducteurs, la bande de conduction est séparée de la bande de valence, comme chez les
isolateurs. La différence entre les deux bandes est moins grande pour les semi-conducteurs que pour les
isolateurs. Elle est si petite, que déjà à une température ambiante de 20°C la bande de conduction est
pleine d’électrons qui rendent le semi-conducteur plus ou moins conducteur. La conductance dépend
beaucoup de la température et est nul à la température absolue. Ici il y a une différence fondamentale de la
conduction électrique entre les métaux et les semi-conducteurs.
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1. Qu’est ce qu’un quartz, le mica, le cuivre, le diamant, et le silicium du point de vue conduction?
2. Quelle est la structure cristalline de cuivre?
3. Quelle est la longueur d’une coté du cube pour silicium?
4. Qu’est-ce que la bande de valence?
5. Qu’est-ce qui est typique pour des métaux concernant les bandes de valence et de conduction?
6. Et pour des semi-conducteurs?
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1.4. LA CONDUCTION INTRINSÈQUE DES SEMI-CONDUCTEURS
PURS
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But de ce chapitre:
 Faire connaissance de la conductance des semi-conducteurs
 Comprendre le comportement thermique de semi-conducteurs
 Apprendre ce qu’est un courant par trous
Mots clés:
Valence, Conductance intrinsèque, des porteurs minoritaires, des porteurs majoritaires
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Si le semi-conducteur consiste en silicium ou de germanium pur tous les électrons de valence sont
occupés pour des liaisons avec les atomes voisins et il n’y a pas d’électrons libres. Alors un semiconducteur ne conduit en principe pas le courant électrique. Ce n’est juste que pour de très basses
températures. A des températures ambiantes la vibration des atomes est si forte, que quelques liaisons
entre des atomes lâchent et sont libres pour un certain moment. Ce phénomène se produit assez souvent
se qui permet au semi-conducteur une certaine conductance électrique.
1.4.1. LE COURANT PAR DES TROUS
A l’endroit où une liaison dites a changé de la bande de valence dans la bande de conductance un électron
manque et un trou apparaît avec une charge positive. L’électron libre saute un moment plus tard dans un
autre trou dans l’environnement. Si une tension est appliquée sur le cristal les électrons
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propagent vers le pôle positif et les trous propagent vers le pôle négatif. Le mouvement apparent des trous
est appelé courant par trous. Puisque chaque électron libre produit un trou, les concentrations d’électrons
et de trous sont égaux.
n=p
n, concentration d’électrons
p, concentration de trous
Mais aussi la concentration des pairs électrons-trous z est pareille
z=n=p.
La conductance électrique G des semi-conducteurs dépend fortement de la température est se comporte
comme suivant:
GT  Ge

WB
kT
Pour la résistance électrique R on a:
WB
R T  R  e kT
Pour des raisons pratiques une résistance de référence à une température de référence p.ex à 20°C sert
pour le calcul:
R T 2  R T1e
B(
1 1
 )
T 2 T1
Le coefficient B est indiqué par le fabriquant. RT1 est la résistance de référence pour T1.
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La résistance ohmique R d’un semi-conducteur en fonction de la température R=f(T).
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1. Qu’est ce que la conduction intrinsèque?
2. Qu’est ce que le courant par trous?
3. Pourquoi augmente la conductance des semi-conducteurs purs si la température augmente?
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1.5. LA CONDUCTANCE DES SEMI-CONDUCTEURS DOPÉS
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But de ce chapitre:
 Comprendre comme la conductance de semi-conducteurs peut être influencée
 Donner la base pour comprendre le fonctionnement des diodes et transistors etc.
Mots clés:
Atomes à 5 et à 3 valences, doper, donateur, Zone-N Zone-P.
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1.5.1. DES ATOMES D’IMPURETÉS À CINQUE VALENCES DANS LE RÉSEAU ATOMIQUE
Arsenic (As), antimon (Sb) ou phosphore (P) ont une valence de cinq, voire tabelle au début du cours. Si
on ajoute une très petite quantité d’un des matériaux mentionnés ci-dessus à p.ex. du silicium, la
concentration d’électrons libres est augmentée et celle des trous est diminuée. Cet action est appelée
doper. La conduction du semi-conducteur ainsi traité augmente. Si le dopage est très prononcé la
conductance peut même atteindre des valeurs du métal. Attention: le semi-conducteur reste neutre! Un tel
semi-conducteur est aussi nommé conducteur-N. Ici les électrons contribuent à la conductance.
Dans un conducteur N les
électrons sont les porteurs majoritaires
trous sont les porteurs minoritaires.
1.5.2. DES ATOMES D’IMPURETÉS À TROIS VALENCES DANS LE RÉSEAU ATOMIQUE
Les éléments gallium (Ga) et indium (In) sont des atomes à 3-valences. Le dopage avec de tels atomes
augmente la concentration des trous dans un semi-conducteur à 4-valence. La concentration des électrons
diminue correspondement. Ainsi un conducteur-P est réalisé. Un tel semi-conducteur est aussi neutre du
point de vue charges électriques.
Dans un conducteur P les
trous sont les porteurs majoritaires
électrons sont des porteurs minoritaires.
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1.5.3. LA RÉSISTANCE ÉLECTRIQUE DE SEMI-CONDUCTEURS DOPÉS
Le dopage du matériel semi-conducteur peut augmenter sa conductance énormément. Pratiquement tous
les porteurs de charge, qui ont été introduits par dopage contribuent à la conductance. La conductance du
matériel ainsi traité dépend moins de la température. Un dopage très prononcé est indiqué par un +, p. ex.
+n.
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1. Quelle sorte de porteurs de charge augmente en dopant avec du matériel à 5 valences?
2. Un semi-conducteur dopé conduit le courant électrique mieux que sans, pourquoi?
3. La dépendance de la température diminue pour des semi-conducteurs dopés, pourquoi?
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1.6. ÉLÉMENTS ÉLECTRONIQUES DES SEMI-CONDUCTEURS
HOMOGÈNE PURS OU DOPÉS
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But de ce chapitre:
 Faire connaissance avec d'éléments électroniques avec des caractéristiques non linéaires
Mots clés:
Des thermistances à coefficient négatif et positif, des VDR, des sondes de Hall, des photo résistances
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1.6.1. NTC, CONDUCTEURS Á COEFFICIENT THÉRMIQUE NÉGATIF
Le nom indique les caractéristiques de l'élément. Il conduit le courant mieux à des températures élevées
qu'à des températures basses. Son coefficient de température est négatif et l'éléments est alors aussi
nommé NTC (négatif température coefficient). Cet élément est utilisé pour mesurer la température ou pour
stabiliser la température d'un circuit.
Le symbole d'une thermistance se présente comme suivant:
Symbol NTC
t
Exemple d'application:
Diviseur de tension comme capteur thermique:
R= 1k
+12V
RNTC= 15k
t
UB=12V
B=4200
1k
UOUT
Quelle valeur a la tension UOUT à la sortie du diviseur de tension pour 60°C et pour 90°C?
R T 2  R T1e
B(
1 1
 )
T 2 T1
R NTC (90C)  15000 e
4200 (
1
1

)
363 298
 1202
avec T2=273+90=363°C et T 1=273+25=298°C.
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Pour 60 °C on a:
RNTC(60°C)= 3419
Les tensions correspondantes pour UOUT (60°C)= 2,72V et pour 90°C 5,45V.
Exemple d'un circuit limitant le courant initial avec une thermistance NTC.
NTC
Sim
Après l’enclenchement, la résistance a une basse élevée. Si le dimensionnement est comme il faut, elle
devient chaude après un certain moment et sa résistance diminue. Le courant initial est ainsi fortement
minimalisé.
1.6.2. PTC, CONDUCTEURS Á COEFFICIENT THÉRMIQUE POSITIF
Une thermistance à coefficient positif fait le contraire, elle conduit mieux à des températures basse qu'à
des températures élevées. La résistance d'une thermistance PTC en fonction de la température est
montrée dans la figure suivant. La pente raide permet d'utiliser cet élément comme fusible avec mis à
l'origine automatique. Dans l'exemple une thermistance PTC est branchée en série avec le tournage
primaire d'un transformateur. Si le courant dépasse une certaine valeur à cause à une surcharge, sa
température augmente rapidement par conséquent aussi sa résistance. Le courant diminue et le courant
résiduel maintien la thermistance chaude et ainsi la résistance reste élevée.
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La résistance d'une thermistance PTC en fonction de la température.
PTC
Exemple d'un circuit limitant le courant initial.
1.6.3. LA PHOTO RÉSISTANCE
Dans une photo résistance des liaisons atomiques sont cassées si des photons (photon= particule de
lumière, particule neutre sans masse de repos) et la conductance du semi-conducteur augmente. Ce
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processus diffère d'un matériel à l'autre et le maximum se trouve à d'autre longueur d'ondes de la lumière,
voir figure.
1.6.4. LE GÉNÉRATEUR DE HALL
Le générateur de Hall est un capteur de champs magnétiques. De l'électrode 2 à l'électrode 1 un courant i
passe de gauche à droite.
Symbol du générateur de Hall
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Sans champ magnétique B perpendiculaire à la plaque, le courant i passe bien reparti par la plaque, et la
concentration de porteur de charge aux électrodes 3 et 4 est la même. Avec un champ magnétique B, une
différence de potentiel entre l'électrode 3 et 4 est crée par un déséquilibre en porteurs de charge. La
différence de potentiel est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique B appliqué.
1.6.5. LA RÉSISTANCE DÉPENDANT DE LA TENSION
Les résistances dépendant de la tension VDR sont fabriquées par frittage de grains de matériel semiconducteur. Là où ses grains se touchent, de toutes petites diodes Zener sont crées (ce sujet sera traité
plus tard), branchées en parallèle et en série. La figure ci-dessous montre leur comportement.
Ci-dessous un exemple d’application avec VDR comme élément de protection contre des surtensions.
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1. Une thermistance NTC peut être utilisée dans quelle application?
2. Une thermistance PTC peut être utilisée dans quelle application?
3. À quoi sert un générateur de Hall?
4. Comment fonctionne une résistance VDR?
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1-ière partie: électronique analogique 1. des charactéristiques

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