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25/02/2015 Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique de Tunisie وزارة التعليم العالي والبحث العلمي Electronique analogique et numérique DISCIPLINE: ELECTRONIQUE ET MICROELECTRONIQUE M. Kthiri Moez Docteur de l’Université de Bordeaux 1 Spécialité: électronique 2014/2015, ISSAT de Mateur-Tunisie Semi-conducteur Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivité électrique d'un semi-conducteur est intermédiaire entre celle des métau et celle des isolants 2 1 25/02/2015 Description Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie des bandes d'énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande interdite suffisamment petite pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la bande de conduction. Si un potentiel électrique est appliqué à ses bornes, un faible courant électrique apparait, provoqué à la fois par le déplacement des électrons et par celui des « trous » qu'ils laissent dans la bande de valence. La conductivité électrique des semi-conducteurs peut être contrôlée par dopage, en introduisant une petite quantité d'impuretés dans le matériau afin de produire un excès d'électrons ou un déficit. Des semi-conducteurs dopés différemment peuvent être mis en contact afin de créer des jonctions, permettant de contrôler la direction et la quantité de courant qui traverse l'ensemble. Cette propriété est à la base du fonctionnement des composants de l’électronique moderne : diodes, transistors, etc. 3 Description Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé commercialement, du fait de ses bonnes propriétés, et de son abondance naturelle même s'il existe également des dizaines d'autres semi-conducteurs utilisés, comme le germanium, l'arséniure de gallium ou le carbure de silicium. 4 2 25/02/2015 Historique 1833 : Michael Faraday remarque l'augmentation du pouvoir conducteur de certains métaux lorsque l'on augmente la température, contrairement aux métaux classiques dont la résistivité augmente avec la température. 1839 : Antoine Becquerel découvre l'effet photovoltaïque. Il constate une différence de potentiel en éclairant le point de contact entre un conducteur et un électrolyte. 1879 : Effet Hall. Edwin Herbert Hall découvre une différence de potentiel dans le cuivre dans la direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique. 1947 : John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain découvrent l'effet transistor. 1954 : Fabrication des premiers transistors en silicium. 1961 : Théorie moderne des semi-conducteurs. Kenneth Geddes Wilson décrit les semi-conducteurs comme isolant à faible bande interdite. 5 Structure électronique des semi-conducteurs Principe de la structure en bandes Le comportement des semi-conducteurs, comme celui des métaux et des isolants est décrit via la théorie des bandes. Ce modèle stipule qu'un électron dans un solide ne peut que prendre des valeurs d'énergie comprises dans certains intervalles que l'on nomme « bandes », plus spécifiquement bandes permises, lesquelles sont séparées par d'autres « bandes » appelées bandes d'énergie interdites ou bandes interdites. Lorsque la température du solide tend vers le zéro absolu, deux bandes d'énergie permises jouent un rôle particulier: la dernière bande complètement remplie, appelée « bande de valence » la bande d'énergie permise suivante appelée « bande de conduction » 6 3 25/02/2015 Structure électronique des semi-conducteurs La bande de valence est riche en électrons mais ne participe pas aux phénomènes de conduction (pour les électrons). La bande de conduction, quant à elle, est soit vide (comme aux températures proches du zéro absolu dans un semi-conducteur) soit semiremplie (comme dans le cas des métaux) d'électrons. Cependant c'est elle qui permet aux électrons de circuler dans le solide. Dans les conducteurs (métaux), la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer directement de la bande de valence à la bande de conduction et circuler dans tout le solide. Dans un semi-conducteur, comme dans un isolant, ces deux bandes sont séparées par une bande interdite, appelée couramment par son équivalent anglais plus court « gap ». L'unique différence entre un semi-conducteur et un isolant est la largeur de cette bande interdite, largeur qui donne à chacun ses propriétés respectives. Dans un isolant cette valeur est si grande (aux alentours de 6 eV pour le diamant par exemple) que les électrons ne peuvent passer de la bande valence à la bande de conduction: les électrons ne circulent pas dans le solide. 7 Structure électronique des semi-conducteurs Dans les semi-conducteurs cette valeur est plus petite (1,12 eV pour le silicium, 0,66 eV pour le germanium, 2,26 eV pour le phosphure de gallium). Si on apporte cette énergie (ou plus) aux électrons, par exemple en chauffant le matériau, ou en lui appliquant un champ électromagnétique, ou encore dans certains cas en l'illuminant, les électrons sont alors capables de passer de la bande de valence à la bande de conduction, et de circuler dans le matériau. 8 4 25/02/2015 Modification des caractéristiques électriques Semi-conduction intrinsèque Un semi-conducteur est dit intrinsèque lorsqu'il est pur : il ne comporte aucune impureté et son comportement électrique ne dépend que de la structure du matériau. Ce comportement correspond à un semi-conducteur parfait, c'est-à-dire sans défaut structurel ou impureté chimique. Un semi-conducteur réel n'est jamais parfaitement intrinsèque mais peut parfois en être proche comme le silicium monocristallin pur. Dans un semi-conducteur intrinsèque, les porteurs de charge ne sont créés que par des défauts cristallins et par excitation thermique. Le nombre d'électrons dans la bande de conduction est égal au nombre de trous dans la bande de valence. Ces semi-conducteurs ne conduisent pas, ou très peu, le courant, excepté si on les porte à haute température. 9 Modification des caractéristiques électriques Dopage Le dopage consiste à implanter des atomes correctement sélectionnés (nommés « impuretés ») à l'intérieur d'un semi-conducteur intrinsèque afin d'en contrôler les propriétés électriques. La technique du dopage augmente la densité des porteurs à l'intérieur du matériau semi-conducteur. Si elle augmente la densité d'électrons, il s'agit d'un dopage de type N. Si elle augmente celle des trous, il s'agit d'un dopage de type P. Les matériaux ainsi dopés sont appelés semi-conducteurs extrinsèques. 10 5 25/02/2015 Modification des caractéristiques électriques Dopage N Le dopage de type N consiste à augmenter la densité en électrons dans le semiconducteur intrinsèque. Pour ce faire, on inclut un certain nombre d'atomes riches en électrons dans le semi-conducteur. Par exemple, dans le cas du silicium (Si), les atomes de Si ont quatre électrons de valence, chacun étant lié à un atome O voisin par une liaison covalente formant un tétraèdre. Pour doper le silicium en N , on inclut un atome ayant cinq électrons de valence, comme ceux de la colonne V (VA) de la table périodique: le phosphore (P), l'arsenic (As) ou l'antimoine (Sb)... Cet atome incorporé dans le réseau cristallin présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre. Ce cinquième électron, qui n'est pas un électron de liaison, n'est que faiblement lié à l'atome et peut être facilement excité vers la bande de conduction. Aux températures ordinaires, quasiment tous ces électrons le sont. Comme l'excitation de ces électrons ne conduit pas à la formation de trous dans ce genre de matériau, le nombre d'électrons dépasse de loin le nombre de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous des porteurs minoritaires. 11 Modification des caractéristiques électriques Dopage P Le dopage de type P consiste à augmenter la densité en trous dans le semiconducteur intrinsèque. Pour le faire, on inclut un certain nombre d'atomes pauvres en électrons dans le semi-conducteur afin de créer un excès de trous. Dans l'exemple du silicium, on inclura un atome trivalent (colonne III du tableau périodique), généralement un atome de bore. Cet atome n'ayant que trois électrons de valence, il ne peut créer que trois liaisons covalentes avec ses quatre voisins créant ainsi un trou dans la structure, trou qui pourra être rempli par un électron donné par un atome de silicium voisin, déplaçant ainsi le trou. Quand le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre d'électrons. Les trous sont alors des porteurs majoritaires et les électrons des porteurs minoritaires. 12 6 25/02/2015 Modification des caractéristiques électriques Jonction P-N Une jonction P-N est créée par la mise en contact d'un semi-conducteur dopé N et d'un semi-conducteur dopé P. Si l'on applique une tension positive du côté de la région P, les porteurs majoritaires positifs (les trous) sont repoussés vers la jonction. Dans le même temps, les porteurs majoritaires négatifs du côté N (les électrons) sont attirés vers la jonction. 13 La jonction P-N: diode à jonction Une diode à jonction est la juxtaposition de deux semi-conducteurs, l’un de type P et l’autre de type N: Nous allons étudier le comportement électrique de la diode: que se passe t-il lorsqu’on applique une tension aux bornes de la diode ? 14 7 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Caractéristique statique d’une diode Relevé expérimental On observe l’évolution du courant traversant la diode en fonction de la tension à ses bornes à l’aide du montage expérimental suivant: 15 La jonction P-N: diode à jonction En polarisation directe: La tension varie de 0 à +Emax. Les mesures nous donnent: Première constatation: la caractéristique est non linéaire 16 8 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction En polarisation inverse: La tension E varie de -Emax à 0. Les mesures nous donnent: 17 La jonction P-N: diode à jonction Interprétation de la caractéristique La caractéristique nous indique que la diode est un dipôle non linéaire. On ne pourra donc pas utiliser le théorème de superposition ! En polarisation directe: La croissance du courant en fonction de la tension est d’abord exponentielle, puis elle tend à devenir linéaire : en prolongeant la partie rectiligne AB, cette droite coupe l’axe des tensions en un point d’abscisse Vo 18 9 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Interprétation de la caractéristique On constate la présence d’un seuil réel de tension Vs au dessous de laquelle le courant ID reste nul. Pour la diode 1N914, on a Vs = 0,5V. On préfère utiliser le seuil pratique de tension qui est l’abscisse Vo définie précédemment. Cette valeur est plus importante que Vs : elle va nous permettre de linéariser la caractéristique. 19 La jonction P-N: diode à jonction Interprétation de la caractéristique En polarisation inverse: Le courant croît très lentement avec la tension inverse. Cet effet est dû à un mauvais isolement de la jonction donnant naissance à des courants de fuite. Le courant inverse est très faible (de l’ordre du nano ampère) et on pourra le négliger (Id = 0). Claquage d’une jonction (polarisation en inverse): Le courant inverse augmente très fortement au delà d’une certaine tension inverse, appelée tension de claquage (elle varie entre 10 et 1000 Volts suivant le type de diode). L’emballement thermique qu’entraîne la tension de claquage détruit la diode dans la plupart des cas. C’est par le dopage qu’on règle les seuils de claquage (seuil détenue en tension inverse). Plus il y a d’impuretés, plus faible est le seuil de claquage. 20 10 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Equation de la caractéristique Id=f(Vd) 21 La jonction P-N: diode à jonction Principales types des diodes 22 11 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Principales types des diodes 23 La jonction P-N: diode à jonction Principales types des diodes Diode Zener Lorsque la diode est polarisée en inverse, le courant inverse qui la traverse est quasiment nul. On ne peut cependant pas augmenter indéfiniment la tension inverse aux bornes d’une diode. Lorsque cette tension atteint une certaine valeur, le champ électrique qui règne dans la jonction devient suffisamment élevé pour ioniser les atomes en leur arrachant les électrons de valence qui deviennent libres et génèrent un courant inverse très important. On dit qu’il y a un effet d’avalanche ou qu’il y a claquage de la diode. La tension aux bornes de la diode reste constante quel que soit le courant inverse qui circule dans la diode. Cette tension dite tension de claquage VB (Breakdown voltage) reste importante pour les diodes à usage général (quelques 100ène de Volts), sa valeur est précisée par les constructeurs pour chaque type de diode. 24 12 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Principales types des diodes Diode Zener La diode Zener est une diode pour laquelle on a utilisé des semi-conducteurs N et P très fortement dopés ce qui a comme effet de réduire la tension de claquage VB qui sera appelée tension Zener VZ. Durant la fabrication, on sait contrôler avec précision la valeur de VZ. Les diodes Zener sont fabriquées pour être utilisés en inverse dans la zone d’avalanche. Dans ce cas, la tension à ses bornes reste égale à VZ quelque soit le courant Iz qui la traverse. On l’appelle diode stabilisatrice de tension. Evidemment, une Zener polarisée en directe fonctionne comme une diode normale. 25 La jonction P-N: diode à jonction Principales types des diodes Stabilisation par diode Zener On va essayer de stabiliser la tension aux bornes de la charge RL à l’aide d’une diode Zener (VZ=5V). Pour les faibles valeurs de E, la Zener reste bloquée, la tension VL aux bornes de RL sera calculée comme si la Zener était absente. Dès que VL dépasse VZ, la Zener conduit et VL reste égale à VZ. 26 13 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Principales types des diodes Stabilisation par diode Zener 27 La jonction P-N: diode à jonction Principales types des diodes Stabilisation par diode Zener 28 14 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Principales types des diodes Stabilisation par diode Zener Conclusion : On remarque que tant que la Zener est bloquée, la tension VL aux bornes de la charge n’est pas stabilisée. Tout se passe comme si la Zener n’était pas là. Dès que la Zener conduit, la tension aux bornes de la charge est stabilisée à la valeur VZ, le courant dans la charge RL reste égal à VZ/RL , et c’est le courant Iz qui circule dans la Zener qui varie pour compenser les variations de I. 29 La jonction P-N: diode à jonction Modélisation de la diode en régime statique L’équation de la caractéristique statique de la diode n’est pas très simple ni très pratique. On va donc chercher à modéliser la diode. Le modèle doit être un compromis entre la simplicité et la fidélité. Simple : on ne retient que les caractéristiques, grandeurs importantes pour le montage étudié. Fidèle : le modèle utilisé doit fournir des résultats valables, réalistes. 30 15 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Modélisation de la diode en régime statique Diode avec seuil et résistance En directe, la caractéristique est une exponentielle au départ, puis elle tend à devenir linéaire. On peut donc assimiler la caractéristique à une droite à partir de Vd = Vo. On rappelle que Vo est l’abscisse obtenue en prolongeant la partie rectiligne AB de la courbe réelle. 31 La jonction P-N: diode à jonction Modélisation de la diode en régime statique Diode avec seuil et résistance 32 16 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Modélisation de la diode en régime statique Diode avec seuil On néglige la résistance interne de la diode et on ne tient compte que de sa tension de seuil. La diode est alors équivalente à une source de tension continue idéale Vo (en directe) : VD = Vo quel que soit la valeur du courant ID. 33 La jonction P-N: diode à jonction Modélisation de la diode en régime statique Diode idéale On néglige la tension de seuil et la résistance interne de la diode. Ce modèle est utile pour des pré-calculs, surtout si les diodes sont dans des circuits où les tensions sont élevées (Vo est alors négligeable devant les autres tensions du circuit). La diode est assimilée à un court-circuit en polarisation directe et à un circuit ouvert en polarisation inverse. 34 17 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Redressement (principe utilisé dans les alimentations continues) Nous allons étudier le principe de fonctionnement du redressement simple alternance. Le montage est le suivant: 35 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Détermination de l’état électrique de la diode On suppose que la diode est idéale. On utilise donc la caractéristique idéale qui nous donne: L’équation propre au circuit est: ve(t) = Vd + R.Id = Vd + Vs La diode est bloquée pour l’alternance négative de ve(t) et on a alors Vs = 0. 36 18 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Détermination de l’état électrique de la diode On suppose que la diode est idéale. On utilise donc la caractéristique idéale qui nous donne: L’équation propre au circuit est: ve(t) = Vd + R.Id = Vd + Vs La diode est bloquée pour l’alternance négative de ve(t) et on a alors Vs = 0. 37 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Détermination de l’état électrique de la diode La diode est passante pour l’alternance positive de ve(t) et on a alors Vs = ve(t). 38 19 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Diode réelle La diode sera passante dès que Vd ≥ Vo (Vo = 0,7V) et on a alors Vs = ve(t) - Vo. La plupart du temps nous avons Ve >> Vo et on peut donc négliger la chute de tension due à la tension de seuil de la diode. L’approximation de la diode idéale est donc valable et largement suffisante pour cette application. 39 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Calcul de la valeur moyenne On constate que la tension redressée est toujours positive mais elle est encore loin d’être continue. Calculons sa composante continue qui n’est rient d’autre que sa valeur moyenne : 40 20 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Redressement double alternance Avec 2 diodes Pour procéder au redressement des deux alternances, il faut utiliser un transformateur ayant deux enroulements secondaires identiques reliés en série et qui délivre deux tensions opposées : e1 = V.sin(wt) et e2 = – e1. Le point commun aux deux enroulements sert de référence de potentiel. Si e1 > 0 alors e2 < 0 : la diode D1 conduit et la diode D2 est bloquée. Lors de la demi-alternance suivante, la situation est inversée. Le courant dans la charge Ru est unidirectionnel. 41 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Redressement double alternance Avec 4 diodes La méthode précédente ne nécessite que deux diodes mais impose l’utilisation d’un transformateur spécial à point milieu. L’utilisation de 4 diodes permet l’emploi d’un transformateur conventionnel. Ce montage constitue le pont de Graëtz. Il est commercialisé sous la forme d’un dispositif compact muni de 4 bornes. Pendant chaque alternance 2 diodes sont conductrices 42 21 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Redressement double alternance Avec 4 diodes Le redressement double alternance est obtenu à l’aide d’un pont redresseur à 4 diodes Pendant l’alternance positive de Ve , les diodes D1 et D2 sont conductrice et alimentent la charge (VL = Ve), diodes D3 et D4 sont bloquée 43 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Redressement double alternance Avec 4 diodes Pendant l’alternance négative de Ve, les diodes D3 et D4 sont conductrice et alimentent la charge, (VL = -Ve) les diodes D1 et D2 sont bloquée La composante continue de la tension VL est doublée par rapport au redressement de simple alternance : 44 22 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Filtrage de la tension redressée La tension redressée est fortement ondulée. Pour réduire cette ondulation, on procède à un filtrage de la tension redressée à l’aide d’une capacité placée en parallèle sur la charge R. Le circuit étudié est donc: L’allure de la tension VL pour C=2200 μF et R=100 Ω 45 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Filtrage de la tension redressée L’allure de la tension VL pour différentes valeurs de C 46 23 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Filtrage de la tension redressée La diode conduit pendant l’intervalle [a, b], la tension VC = VL suit alors la valeur de Ve. A l’instant b, Ve diminue rapidement, la capacité ne peut pas se décharger dans le transformateur à cause de la diode, elle va donc se décharger (alimenter) dans la charge RL avec la constante de temps τ=RL C. Si la valeur de C est importante, cette décharge est lente et Ve devient très vite inférieure à VL ce qui provoque le blocage de la diode. On constate donc que pendant la quasi totalité du temps, la charge RL est alimentée par le condensateur qui est rechargé à chaque période pendant l’intervalle de temps [a,b]. La tension VL aux bornes de la charge n’est pas tout à fait continue, mais comporte une ondulation d’amplitude ΔV qui est d’autant plus faible que la valeur de C est élevée 47 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Filtrage de la tension redressée Exemple redressement simple alternance et filtrage Le circuit étudié est A t=0 (mise sous tension), la capacité est déchargée. On a donc vs(t) = vc(t) = 0. D’où ve(t) = vD(t) > 0: la diode est donc passante. La diode est passante : vd = 0 et id >0 d’où ve(t) = vs(t) > 0 Ainsi, la capacité C se charge. 48 24 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Filtrage de la tension redressée Exemple redressement simple alternance et filtrage Au delà de Te/4, la tension ve(t) commence à décroître (il y a changement de pente). Elle décroît plus rapidement que ne peut le faire la tension aux bornes de la capacité. On dit que la capacité freine l’évolution de vs(t). On a donc ve(t) < vs(t) ce qui bloque la diode (vd < 0). Ainsi, à partir de t=T/4 la diode est bloquée d’où iD = 0 d’où le réseau RC est isolé et iR(t) =Vs(t)/R= -ic(t) = -C dvs(t)/dt La capacité se décharge à travers R. Sa tension vs(t) va diminuer jusqu‘à l’instant où la tension ve(t) redevient plus grande que vs(t). Remarque: t = R*C >> T, ainsi la capacité n’a pas le temps de se décharger complètement sur une période T (vs(t) ne s’annule pas). 49 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Filtrage de la tension redressée Exemple redressement simple alternance et filtrage Au delà de Te/4, la tension ve(t) commence à décroître (il y a changement de pente). Elle décroît plus rapidement que ne peut le faire la tension aux bornes de la capacité. On dit que la capacité freine l’évolution de vs(t). On a donc ve(t) < vs(t) ce qui bloque la diode (vd < 0). Ainsi, à partir de t=T/4 la diode est bloquée d’où iD = 0 d’où le réseau RC est isolé et iR(t) =Vs(t)/R= -ic(t) = -C dvs(t)/dt La capacité se décharge à travers R. Sa tension vs(t) va diminuer jusqu‘à l’instant où la tension ve(t) redevient plus grande que vs(t). Remarque: t = R*C >> T, ainsi la capacité n’a pas le temps de se décharger complètement sur une période T (vs(t) ne s’annule pas). 50 25 25/02/2015 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes Filtrage de la tension redressée Exemple redressement simple alternance et filtrage En t = t2, on a ve(t) = vs(t) = Vsmin Ainsi, à partir de t=t2 la diode conduit puisque vd = 0. La capacité se charge de nouveau jusqu’en t3 instant où la tension ve(t) commence à décroître. En régime permanent, la tension vs(t) varie entre Vsmax et Vsmin. On note Δvs = (Vsmax-Vsmin)/2 l’ondulation de vs(t) et Δvs/<vs> est le taux d’ondulation. 51 La jonction P-N: diode à jonction Applications: Utilisation des diodes redresseurs double alternance avec filtrage par un condensateur Dans le cas du redressement double alternance, l’amplitude de l’ondulation est divisée par 2, en effet, La décharge se fait pendant une demi-période de Ve 52 26 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Le transistor bipolaire à jonction (ou BJT, pour “Bipolar Junction Transistor”) est un composant électronique actif, c’est-`a-dire un composant qui est capable de transformer un signal électrique et d’en amplifier sa puissance Le BJT est constitué d’un monocristal semi-conducteur comportant trois régions contiguës (l’émetteur E, la base B et le collecteur C) dopées NPN ou PNP 53 Transistor bipolaire à jonction PN Il existe donc deux types de transistors bipolaires Les transistors NPN dans lesquels une zone de type P est comprise entre deux zones de type N dans un monocristal de semi-conducteur. Les transistors PNP dans lesquels la zone du milieu est de N. Remarque: Pour un transistor NPN on a : - Emetteur : zone N fortement dopée, - Collecteur : l’autre zone N faiblement dopée, - Base : zone P mince et peu dopée. 54 27 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Du fait que les deux zones N ont des taux de dopage très différents l’une de l’autre, le transistor ne peut pas fonctionner d’une façon symétrique. On ne peut donc permuter l’Emetteur et le Collecteur d’un transistor bipolaire à jonction. Sur le schéma électrique du transistor une flèche marque la jonction baseémetteur. Cette flèche est orientée dans le sens où la jonction base-émetteur est passante; ainsi elle permet de distinguer les deux types de transistor. 55 Transistor bipolaire à jonction PN Principe de fonctionnement Nous prendrons le cas d'un type NPN pour lequel les tensions Vbe et Vce et le courant entrant à la base sont positifs Dans ce type de transistor, l'émetteur, relié à la première zone N, se trouve polarisé à une tension inférieure à celle de la base, reliée à la zone P. La diode émetteur/base se trouve donc polarisée en direct, et du courant (injection d'électrons) circule de l'émetteur vers la base. 56 28 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN En fonctionnement normal, la jonction base-collecteur est polarisée en inverse, ce qui signifie que le potentiel du collecteur est bien supérieur à celui de la base. Les électrons, qui ont pour la plupart diffusé jusqu'à la zone de champ de cette jonction, sont recueillis par le contact collecteur. Idéalement tout le courant issu de l'émetteur se retrouve dans le collecteur. Ce courant est une fonction exponentielle de la tension base-émetteur. Polarités des tensions et sens des courants de polarisation des transistors NPN (a) et PNP (b). 57 Transistor bipolaire à jonction PN Le courant des trous circulant de la base vers l'émetteur ajouté au courant de recombinaison des électrons neutralisés par un trou dans la base correspond au courant de base Ib, grossièrement proportionnel au courant de collecteur . Cette proportionnalité donne l'illusion que le courant de base contrôle le courant de collecteur. Pour un modèle de transistor donné, les mécanismes de recombinaisons sont technologiquement difficiles à maîtriser et le gain Ic/Ib peut seulement être certifié supérieur à une certaine valeur (par exemple 100 ou 1000). 58 29 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Relations fondamentales Le raisonnement qui suit est valable pour les deux types de transistors bipolaires. Soit α la fraction des électrons, issus de l’émetteur, qui atteignent le collecteur sans être recombinés avec les trous de la base (0.990 ≤ α ≤ 0.999). étant le courant inverse de saturation de la jonction B-C polarisée en sens inverse ; en combinant les deux relations précédentes, on obtient : Ainsi, β représente l’amplification en courant du transistor appelée aussi gain statique du transistor, de telle manière que IB soit le courant de commande et IC le courant commandé. 59 Transistor bipolaire à jonction PN Relations fondamentales La relation entre les tensions est donnée par : VCE = VCB + VBE Et vu que la jonction Base–Emetteur étant polarisée en direct, la tension VBE = 0,7V comme pour une diode ordinaire. 60 30 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Caractéristiques statiques du transistor Objectifs nous allons analyser les caractéristiques statiques du transistor afin d'étudier les différents modes de fonctionnement de celui-ci: nous parlerons alors de polarisation du transistor. Puis nous nous intéresserons plus particulièrement au mode de fonctionnement linéaire du transistor, mode de fonctionnement qui débouchera sur l'étude des amplificateurs à transistors et des oscillateurs haute fréquence. Afin d'étudier la mode de fonctionnement du transistor, on utilise le montage suivant: 61 Transistor bipolaire à jonction PN Caractéristiques statiques du transistor 2N2222 62 31 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Caractéristiques statiques du transistor Caractéristiques à IB constant Si, pour différentes valeurs du courant IB (fixé par Eb et RB) on représente les variations du courant IC et de la tension VBE en fonction de VCE, on obtient les deux réseaux de caractéristiques dont l'allure est représentée dans les premiers et quatrièmes quadrants. Les variations de VCE entraînent les variations de Ic et de VBE. Interprétation: Pour un courant IB donné, le courant Ic est très variable et croissant tant que la tension VCE est inférieure à une centaine de millivolts (0,3 à 0,4V). Au-delà de cette tension, IC varie peu : IC est pratiquement constant. VBE = Cste (VBE= 0,6 à 0,7 V pour le silicium). On dit que la jonction B-E est polarisée en directe. Pour une valeur fixe de IB, Ic est pratiquement constant et indépendant de VCE: 63 Transistor bipolaire à jonction PN Caractéristiques statiques du transistor C'est ce que l'on appelle l'effet transistor qui consiste à contrôler, à l'aide du courant de base IB, relativement faible, un courant de collecteur Ic, beaucoup plus important. On est dans la zone de fonctionnement linéaire. On remarque que Ic < β.IB, pour une valeur donnée de IB. La jonction B-E est polarisée en directe. On est dans la zone de saturation. VBE < 0,7 V La jonction B-E est bloquée. On est dans la zone de blocage. 64 32 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Caractéristiques statiques du transistor Caractéristiques à VCE constant La tension VCE étant constante, nous donnons à IB (pris comme variable) une suite de valeurs pour lesquelles nous relevons Ic et VBE. On obtient les deux réseaux de caractéristiques dont l'allure est représentée dans les deuxièmes et troisièmes quadrants Interprétation: La tension VCE influe peu sur la caractéristique VBE = f(IB). Les caractéristiques IC = f(IB) sont des droites passant pratiquement par l'origine. On retrouve bien la relation IC = β.IB caractéristique du fonctionnement linéaire. 65 Transistor bipolaire à jonction PN Caractéristiques statiques du transistor Relations fondamentales (résumé) En fonctionnement linéaire: Le transistor est alors, le plus souvent, utilisé dans un montage amplificateur. IC = β.IB avec β =α/(1−α) = gain en courant en émetteur commun ( α varie entre 0,99 et 0,995 donc β est de l'ordre de 100) IE = IC + IB = IC + IC/β = IC (1 + 1/β) ≈ IC VBE = 0,6 à 0,7 V (silicium) Le constructeur ne peut préciser la valeur exacte du gain en courant β car sa valeur varie d’un échantillon à l’autre pour une même série de transistor. Dans les Data Book, on trouve un intervalle de valeur : par exemple, 100 < β < 300. Ainsi, les montages d’utilisation devront tenir compte de cette dispersion. 66 33 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Caractéristiques statiques du transistor Relations fondamentales (résumé) Zone de saturation: IC < β.IB VCE = VCEsat VCEsat est de l’ordre de 0,3 à 0,4V. En pratique, on prendra donc VCEsat ≈ 0V. VBE = 0,6 à 0,7 V (silicium) Zone de blocage: IC = IE = IB = 0 VBE < 0,7 ou 0,6 V En pratique, il est préférable de prendre VBE < 0 67 Transistor bipolaire à jonction PN Puissance dissipée par un transistor - domaine utilisable Les constructeurs précisent, pour chaque type de transistor, les valeurs à ne pas dépasser sous peine de détruire le composant. La puissance que peut dissiper un transistor est donnée par: 68 34 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN En fonctionnement linéaire, le terme VBE*IB est négligeable (quelques µW) devant VCE*IC. Ainsi, la puissance dissipée par le transistor est donnée par : Les coordonnées des points pour lesquels la puissance maximale est atteinte sont liées par la relation : Dans le réseau de sortie, cette relation est l’équation de l’hyperbole de dissipation maximale H : 69 Transistor bipolaire à jonction PN Le point de fonctionnement devra donc se situer dans la zone appelée « domaine utilisable ». 70 35 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Il faut maintenant imposer le mode de fonctionnement du transistor (bloqué, saturé ou linéaire). C'est à dire qu'il faut se fixer les grandeurs I C, IB, IE, VCE et VBE. Ces grandeurs vont être imposées par les éléments extérieurs au transistor. Eb = Ec ou Eb # Ec. On rencontre les deux cas. Montage : polarisation de base 71 Transistor bipolaire à jonction PN Suivant les valeurs de IC, IB, VCE, VBE, le transistor va fonctionner en régime linéaire, bloqué ou saturé. Droite de charge statique - Droite d'attaque statique D'après la loi des mailles appliquée sur le circuit, nous avons: VCE = Ec - RC.IC (droite de charge) Et VBE = Eb - RB.IB (droite d’attaque) Sur la caractéristique IC = f(VCE) du transistor, on trace la droite de charge statique VCE = Ec - RC.IC Le point d'intersection entre la droite de charge statique et les caractéristiques du transistor nous donne le point de fonctionnement P0, P1 ou P2 du montage ou point de polarisation. 72 36 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Ce sont les éléments extérieurs au transistor qui vont fixer ce point de fonctionnement : - Si le point de fonctionnement est en P0 alors le transistor fonctionne dans la zone linéaire. - Si le point de fonctionnement est en P2 alors le transistor est bloqué. - Si le point de fonctionnement est en P1 alors le transistor est saturé. Nous allons maintenant déterminer les éléments extérieurs qui vont permettre de faire fonctionner le transistor dans l'un de ces trois modes. 73 Transistor bipolaire à jonction PN Saturation (point P1) Etat de la sortie Vs (sortie sur le collecteur) lorsque le transistor est saturé: 74 37 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Blocage (point P2) Etat de la sortie Vs (sortie sur le collecteur) lorsque le transistor est bloqué: Les courants sont nuls. Il n'y a donc pas de chute de tension aux bornes de Rc, d'où: Vs = Ec 75 Transistor bipolaire à jonction PN Fonctionnement en régime linéaire (point Po) En régime linéaire, nous avons, la plupart du temps Ec = Eb = Vcc D’où: VCE = Ec - RC.IC VBE = Eb - RB.IB 76 38 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN CIRCUITS DE POLARISATION Polarisation au point de repos L’ensemble des valeurs IC0, IB0, VCE0, VBE0 définissent le point de repos (ou l’état) du transistor Pour connaître numériquement ces valeurs, on fait appel à une méthode graphique, qui consiste à représenter dans le bon quadrant l’équation de la maille d’entrée (la représentation est une droite dite droite d’attaque statique) puis celle de la maille de sortie (droite de charge statique). Leurs intersections avec les caractéristiques définissent les grandeurs de repos recherchés. Polarisation et point de fonctionnement d’un transistor bipolaire à jonction 77 Transistor bipolaire à jonction PN Montages de Polarisations Il existe quatre (04) circuits de polarisation d’un transistor bipolaire : Polarisation par pont de base, Polarisation par la base, Polarisation par rétroaction par le collecteur, et Polarisation par l’émetteur. Montage de polarisation par la base Montage de polarisation par rétroaction par le collecteur 78 39 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages de Polarisations Montage de polarisation par pont de base. Montage de polarisation par l’émetteur. 79 Transistor bipolaire à jonction PN UTILISATIONS DES TRANSISTORS BIPOLAIRES 1- Transistor en commutation Si le transistor fonctionne dans la zone bloquée (Ic=0) ou saturée (Vce=0) on dit qu’il fonctionne en commutation. Ce fonctionnement sert dans les circuits numériques et les calculateurs. Ainsi, le transistor agit comme un interrupteur : fermé = saturation, ouvert = blocage. Les montages de principe et les conditions de blocage et de saturation avec un transistor bipolaire NPN sont donnés par les circuits suivants. 80 40 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN UTILISATIONS DES TRANSISTORS BIPOLAIRES 2- Transistor en amplification Si le transistor fonctionne dans la zone linéaire (normale ; IC ≈ β.IB) on dit qu’il fonctionne en amplification. La figure suivante représente le principe d’amplification d’un signal sinusoïdale. Afin d’assurer l’amplification du tout le signal, le point de fonctionnement Q doit être choisi le plus proche possible du milieu de la droite de charge statique. Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire en amplificateur de tension. 81 Transistor bipolaire à jonction PN AMPLIFICATEURS A FIABLES SIGNAUX BASSES FREQUENCES (BF) Un amplificateur peut être toujours considéré comme un quadripôle linéaire actif. Il comprend un élément actif (Transistor), les dispositifs nécessaires à assurer le fonctionnement statique et les éléments de couplage et de découplage destinés à transmettre le signal amplifié au circuit d’utilisation. Cependant, le transistor; tout en étant classifié dans les composants actifs ; ne fournit pas d'énergie : il faudra donc lui associer une alimentation qui va servir à apporter les tensions de polarisation et l'énergie que le montage sera susceptible de fournir en sortie. Organisation générale d’un amplificateur de tension. 82 41 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN AMPLIFICATEURS A FIABLES SIGNAUX BASSES FREQUENCES (BF) Paramètres caractéristiques du montage Un circuit d’amplification est caractérisé par les grandeurs suivantes : Gain en tension : Où Av est l’amplification en tension du montage définie par : Gain en courant : Où Ai est l’amplification en courant du montage définie par : Gain en puissance : Où Ai est l’amplification en puissance du montage définie par : Impédance d’entrée : Impédance de sortie : 83 Transistor bipolaire à jonction PN AMPLIFICATEURS A FIABLES SIGNAUX BASSES FREQUENCES (BF) Circuits équivalents d’un transistor bipolaire en BF En traitant le transistor comme un quadripôle, on peut déduire son schéma équivalent hybride complet 84 42 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN AMPLIFICATEURS A FIABLES SIGNAUX BASSES FREQUENCES (BF) Circuits équivalents d’un transistor bipolaire en BF Les paramètres (h11, h12, h21, h22) sont obtenus de la façon suivante : A sortie court-circuitée (Vce = 0) : A entrée ouverte (Ib = 0) : 85 Transistor bipolaire à jonction PN AMPLIFICATEURS A FIABLES SIGNAUX BASSES FREQUENCES (BF) Circuits équivalents d’un transistor bipolaire en BF Généralement, h12 et h22 sont de très faibles valeurs. Ainsi on peut négliger la f.é.m. lié (h12.Vce) devant la ddp aux bornes de h11 dans la maille d’entrée, et considérer la résistance de sortie 1/ h22 comme très grande et par conséquent, la sortie ouverte. Ce qui nous donne le schéma équivalent hybride simplifié suivant: Schéma équivalent hybride réduit d’un transistor bipolaire NPN. 86 43 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Ils existent trois (03) montages fondamentaux d’amplificateurs de tension à transistors bipolaires : Montage Emetteur Commun (EC), Montage Collecteur Commun (CC), Montage Base Commune (BC), 87 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Emetteur Commun (EC) Montage Emetteur Commun 88 44 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Emetteur Commun (EC) En régime dynamique : La source de tension continue Vcc est une source de tension continue donc nulle en petits signaux (régime dynamique). Les condensateurs de liaison C1 et C2 ainsi que le condensateur de découplage CE ont des impédances négligeables donc peuvent être remplacés par des courtscircuits en régime dynamique. Le transistor est remplacé par son circuit équivalent hybride en régime dynamique BF. 89 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Emetteur Commun (EC) Le circuit équivalent du montage est obtenu en deux étapes : Etape 1 : Montage Emetteur Commun en régime dynamique Etape 2 : Montage Emetteur Commun hybride en régime dynamique 90 45 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Emetteur Commun (EC) A partir de ce dernier circuit, les paramètres caractéristiques du montage amplificateur sont : Impédance d’entrée (à vide : sans RL , comme à charge : avec RL ) : Impédance de sortie : En éteignant l’unique source indépendante ve , on a ib = 0 Et par conséquent la source liée de courant ib est déconnectée. On a, alors : 91 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Emetteur Commun (EC) Amplification en tension : à vide : à charge : Le signe (-) veux dire que les tensions d’entrée et de sortie sont en opposition de phase. 92 46 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Emetteur Commun (EC) Amplification en courant: à vide : à charge : 93 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Emetteur Commun (EC) Amplification en puissance: à vide : à charge : 94 47 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Collecteur Commune (CC) Montage Collecteur Commun 95 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Collecteur Commune (CC) Montage Collecteur Commun en régime dynamique. Schéma équivalent hybride de l’amplificateur en CC 96 48 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Collecteur Commune (CC) Ses paramètres caractéristiques sont (On notera ) Impédance d’entrée à vide : à charge et, en notant 97 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Collecteur Commune (CC) Impédance de sortie : Seule la f.e.m. eg est court-circuitée ( Rg reste dans le circuit ). En notant R = R1 // R2 // Rg on trouve : 49 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Collecteur Commune (CC) Amplification en tension : à vide : à charge: 99 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Collecteur Commune (CC) Amplification en courant: à vide : à charge: 100 50 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Base Commune (BC) Montage base Commune 101 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Base Commune (BC) Montage Base Commun en régime variable. Circuit équivalent hybride de l’amplificateur Base Commun 102 51 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Base Commune (BC) Impédance d’entrée (à vide comme à charge) : Impédance de sortie : 103 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Base Commune (BC) Amplification en tension : à vide : à charge: 104 52 25/02/2015 Transistor bipolaire à jonction PN Montages fondamentaux Montage Base Commune (BC) Amplification en courant: à vide : à charge: 105 53