EN1-Semiconducteurs

8/13/2019 EN1-Semiconducteurs

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ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo

Semi Conducteurs

Et

Composants


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Atomes

Physique des semi-conducteursDiode

Transistor

Structures des atomes Un noyau + des lectrons

Des orbites associes des tat nergtiques

o La couche priphrique est appele Couche de valenceo Elle intervient dans l'tablissement des liaisons

chimiques entre diffrents atomes pour former desmolcules.


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Atomes


Transistor

4 lectrons de valence

E

3couches

occupes

: K,L,M

Dopage type PDopage type N


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Atomes


Transistor

Bandes dnergies Rpartition nergtiques en bandes discontinues

o Orbitales associes des tats nergtiques

o Bandes interdites

2 bandes impliques dans la conduction lectrique

o La bande de conduction et bande de valence


5/45ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo

Semi-conducteur


Transistor

Structure cristalline du silicium non dop

Proprits : Structure cristalline trs rigide.

4 liaisons par atome assurant la rigidit du cristal




Transistor

Cration dune paire

lectron-trou Sous laction de la temprature,

un lectron provenant duneliaison peut se librer.

Llectron (charg ngativement)laisse sa place un trou (chargpositivement).

Les trous et lectrons sontappels porteurs libresils sontle support du courant lectrique.

Semi-conducteur

trou

Illustration du courant

de trou



Semi-conducteur


Transistor

Dopage On rajoute des impurets la place datomes de Si

Dopage type N: impuret a 5 lectrons =>1 lectron est libre

Dopage type P: impuret a 3 lectrons =>1 trou est libre

Type N Type P

Ph i d i d



Jonction PN


Transistor

Avant quilibre

Des lectrons, porteurs libres majoritairesapports par les impuretsDes trous, porteurs libres minoritaires dus lagitation thermique.

Des ions fixes chargs positivement : lesimpuretsayant perdu un lectron

Des trous, porteurs libres majoritairesapports par les impuretsDes lectrons, porteurs libres minoritaires dus lagitation thermique.

Des ions fixes chargs ngativement : lesimpurets ayant perdu un trou.

Phnomne de

diffusion

Ph i d i d t



Jonction PN

r


Transistor

Jonction PN lquilibre Les porteurs majoritaires de chaque cot diffusent et laisse des atomes ioniss

Dans la zone de transition : il ny a plus de porteurs libres

Les ions fixes cre un champ lectrique qui compense la diffusion: ETAT STABLE

ltat stable seuls les lectrons ou les trous ayant une nergiesuprieure eVd peuvent passer

DiodePhysique des semi conducteurs



Le composant DIODE

DiodeDiode Zner

Physique des semi-conducteurs

DiodeTransistor

Composants

Symboles

Modle de shockley Ordre de grandeur de Is (qq nA)

Mise en vidence de linfluence de la To

1

( 1)DqV

kTd sI I e=

traites part

Id

Vd

q=e=1,9.10-19[C]k=1,38.10-23[JK-1]

T [K] rappel: [K]=[oC]+273

[ ]1;2

DiodePhysique des semi-conducteurs


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Principe de fonctionnement

DiodeDiode Zner


DiodeTransistor

Diode polarise en direct

La barrire de potentiel VD diminue.

A partir dune tension de seuil : les porteurs peuvent passer et la diode se comportecomme un interrupteur ferm

1

Le mouvement detrous correspond un mouvementdlectrons dansla bande devalence

I trousI lectrons

+ =

Modle de shockley

q=e=1,9.10-19[C]k=1,38.10-23[JK-1]

( 1)DqV

kTd sI I e

=



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DiodeDiode Zner

Physique des semi conducteurs

DiodeTransistor

Diode polarise en inverse

La barrire de potentiel VD augmente

Peu de porteurs ont lnergie suffisante pour passer : la diode se comporte comme uninterrupteur ouvert

o Prsence dun courant inverse IS d aux porteurs minoritaires (qques nA).

1



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Modlisation

DiodeDiode Zner

y q

DiodeTransistor

Modles statiques usuels choix en fonction de la prcision souhaite

1

ISIS



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Analyse

DiodeDiode Zner

y q

DiodeTransistor

Mthode de calculs Du bon sens:

o le courant scoule des potentiels les + leves vers les + faibles

o La diode est unidirectionnelle en courant: le courant rentre par lanode

Si doutes:

o fait une hypothse et on la vrifie (ou pas) a posteriori

1

Diode passante : elle se comporte comme un fil on vrifie que iD > 0.Diode bloque : elle se comporte comme un circuit ouverton vrifie que VD < 0.

Si lhypothse est fausse, on en refait une autre...

Hyp: D passante lorsque e ir=

id


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Applications

Diode ZnerDiodeTransistor

Fonction alimenter en nergie Redressement dans une chane de conversion AC-DC

1

abaisser le niveau de

tension du secteurObtenir une

composante continue

Filtrer les

harmoniquesObtenir la tension la

plus constante

Rappel sur le transformateur

symbole quations

2 1

1 2

U Im

U I= =

Transfo parfait

schmas quivalents

symbole modle transfo parfait

ou

mI2

mU1U1

I1 I2

U2

U1 U2

I2m

U1 U2

I1 I2

Modlisation du transfo parfait



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Applications


Redressement simple alternance

1



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Applications


Redressement double alternance

1

Symbole graphique courammentutilis pour reprsenter le pont de

graetz


i d


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Applications


Redressement double alternance + Filtre

1

C+

Dimensionnement simplifide CHypothse simplificatrice: on suppose une dcharge courant constant I=IR=Icharge

max

.

c dsir

I TC

U

=

. .Q I T C U = = Ce type de montage sera bientt interdit car

gnrateur dharmonique sur le rseau=>Remplacement par des alimentations absorption sinusodale (alim PFC)


Di d


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Applications


Diode dcrtage Protection des circuits

Diode de roue libre Circuit de dlestage lors des dmagntisations

1

Diode de clamp intgr dansles CI

Circuitinductif

Diode de roue libre

Hacheur srie

Diode

Diode Zner


Diode


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La diode zner


Symbole

Caractristique tension/courant

2

composants

Se comporte comme une diode

en polarisation directe

Se comporte comme

une source de tensionen polarisation inverse

VF

IF

Vz0

Iz

ou

VF

Vz

Iz

Se comporte

comme uninterrupteur ouvert

Diode

Diode Zner


Diode


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Modlisation


Modle quivalent grand signal en inverse

Application type

2

Pente

de la droite =1

Vz0

Vz0

Vc0

Vc

Rs

rz

Vz0Rch Vs

Is

Ve

Ie

La qualit de stabilisation de Vs est quantifie par 2 coefficients :

Coefficient amont:=

Coefficient aval: =

Iz

Vz

modlisation

Diode

Diode Zner


Diode


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Analyse


Comment savoir dans quel tat est la zner? Procd analogue celui des diodes

o faire une hypothse en cas de doute

2

On suppose que la diode Zener est bloque=>

E=9V

VL > VZ , donc lhypothse est fausse: la diode fonctionne enzneret donc VL = 5V

Conclusion: La diode Zener stabilise la tension de sortie VL = VZ

Transistor bipolaireTransistor JFET



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Transistor bipolaire

Transistor JFET

Transistor MOSFET

Diode

Transistor

Composant

Symbole

Structure interne

2

Flchage tensions/courants




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Transistor JFET

Transistor MOSFETTransistor

Effet transistor (cas NPN) jonction PN base-metteur (BE) polarise en direct

BC polarise en inverse

2

VC > VB > VE

1 - BE est polarise en direct, un courant dlectrons arrive la base (B).2- la jonction BC est polaris en inverse=> extension de la ZCE sur pratiquement toute la base

3- la majorit des lectrons inject dans la base (type P) nont pas le temps de se recombinercar ils sont catapults par la jonction BC polarise en inverse4- on quantifie leffet transistor par le coefficient dinjection : Ic= Ie avec 0,95 0,99




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Modlisation

Transistor JFET


Modle dEbers Moll simplifi

Caractristique de sortie

2

Ib

Ie

Ic

Ie Proche de la structure interne du composant Mise en vidence de leffet transistor : Ic= Ie ou encore Ic= Ib Mise en vidence du phnomne de saturation :Si BC en direct => Ic

B

E

C

3 modes de fonctionnement possibles suivant

le point de fonctionnement

Saturation: interrupteur ferm!

Linaire: une source de courant

Bloqu: interrupteur ouvert!

( 1)D

T

V

V

e esI I e=




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Circuit de commande


Commander un transistor choisir un point de fonctionnement = placer le transistor dans un des 3 modes

choisir un point de fonctionnement= agir la maille de commande= contrler Ib contrler Ib= choisir correctement Rb en fct du cahier des charges

2

VBB VCC

( 1) ( 1)1

D D

T T

V V

V Vee es b bs

II I e I I e

= => = =

+

Maille

De commande

Maillede

charge




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Circuit de commande


Polarisation des transistors

Polarisation par rsistance de baseo Peu utilis car trs sensible aux dispersion

des composants et la temprature

Polarisation par pont

2

On applique le thorme de Thvenin pourtrouver VBBet RB




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Transistor en source de courant commande


Fonctionnement linaire Interprtation graphique

2

Ib

Ie

Ic

Ie

B

E

C

Vbe=0.7V

Ib

Ie

Ic

Ib= Ie

B

C

Modle quivalent STATIQUE en fcto

linaire

connatre



T i


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Transistor en interrupteur command


Fonctionnement satur

Interprtation graphique

Comment saturer un transistor On connait ou on calcule Ic

On calcule =

avec 1; 2 et on dduit RB

2

IcIb

Le transistor se comporte commeun interrupteur ferm

Modle quivalent en fctoSATUR

B

E E

C

0.7V VCE=0

Dans les datasheets les notationshybrides sont utilises:

hFE= ( grandeurs statiques)


i


T i t


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Analyse


Le schma est donn: quel est ltat du transistor?

Comme pour les diodes on fait une hypothse de calcul: T passant par exemple

Les calculs sont effectus puis la cohrence de lhypothse vrifie!

3

connatre


T i t MOSFET


Transistor


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Applications


Interfaage et interrupteur command

Objectif: adaptation en courant

3

Montage darlington

On notera labsence de diode deroue libre (la dmagntisation sefait par le secondaire du transfo!)

Transistor en commutation (20kHz et +)


Transistor MOSFET


Transistor


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Applications


Rgulation de tension

Source de tension contrle en courant

Prsence dune contre-raction

2 types de rgulateur

o Shunt ou ballast

3

Rgulation de type shunt (ou //)Effet dauto-rgulation

Rgulation de type srie

Principe du transistor BALLAST


Transistor MOSFET


Transistor


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Rgulateur ballast

Le plus utilis jusqu P


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Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET


Transistor


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Le composant JFET


Symbole

Structure

3

canal N canal P

Canal ouvert au maximum Vgs=0

Zone rsistive

le canal se rtrcit petit petit au fur et mesure que Vdsaugmente (Vds faible)Zone pince

au-del dun seuil Vds, la largueur du canal ne change plus (rduite un minimum) => le courant ne dpend plus de Vds



Transistor


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Caractristiques externes du JFET

Caractristique pour Vgs=0

3

RD

D

E

G

S

VDS

iDiG = 0

VGS=0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

VGS=0V

VDS

ID

Zone rsistive Source de courant

Rversibilit (dans une certainelimite) de la zone defonctionnement

= avec <



Transistor


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Caractristiques externes du JFET

Rseau de caractristiques

Comportement 1: zone de rsistance command en tension =())

Comportement 2: source de courant command en tension =())

3

JFET en zone pince

Mise en vidence:

Du contrle de Vgs sur Id

+

2( )gs PId k V V

2( )

gs P

Id k V V



Transistor


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JFET en rsistance commande

Rsistance commande

Modle quivalent

3

Id

Vds

Condition de fonctionnement en zone rsistive:

Remarque: <

VDSVGS

S

G DIG = 0

S

rds=h(VGS)

rds

+

1

2 ( )1

dsonds

gsgs p

p

rr

Vk V V

V

rds=h(VGS)

22( )gs P ds dsId k V V V V

2

p

d

V

I



Transistor


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JFET en rsistance commande

Applications

3

Multiplexeur analogique Contrle automatique de gain

Echantillonneur/bloqueur Gain variable



Transistor


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JFET en source de courant

Source de courant contrl en tension

Modle quivalent statiqueou grand signal Pour les petits signaux un modle spcifique petit signal est utilis

o La fonction de transconductance est linarise autour dun point de repos Vgs0

4

VDSVGS

S

G DIG = 0 ID = f(VGS)

Condition de fonctionnement en zone pince:

Remarque: <

> +

2( )

gs P

Id k V V

2

1 Vgs

Id IdssVp

k: transconductancestatique exprime en A/V2

on retrouve la mme quati

sous une autre forme


Transistor MOSFET


Transistor


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composants MOSFET

Symboles

Structure enrichissement

4

Prsence dundilectriqueisolant

Formation du canalde conduction en

appliquant Vgs>0


Transistor MOSFET


Transistor


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E-MOSFET: caractristiques externes

caractristiques

4

Transistor non pinc Transistor pinc (ou satur

Transistor bloqu (Id=0)

VT

retenir: On travaille avec VGS0 tant que VGSna pas atteint le

seuil VT le transistor est bloqu


Transistor MOSFET


Transistor


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E-MOSFET: modles

Modles quivalents

Identiques au JFET Rappel : source de courant contrl en tension

o Condition VTo Modle quivalent statiqueou grand signal

Applications

Tout domaine de llectroniqueo Conception de circuits intgrs analogique ou digital (structures CMOS)

o Amplificateurs

o Interrupteurs de puissance

4

VDSVGS

S

G

D

IG = 0 ID = f(VGS)

attention:

VGS et VT>0

2

2

( ) 1p gsVgs

Id k V V Idss Vp


Transistor MOSFET


Transistor


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E-MOSFET: caractristiques externes

Structure appauvrissement

Permet de travailler en appauvrissement mais aussi enenrichissement (VGS>0)

caractristiques

4

le canal est form

pour Vgs=0

Les quations restent identiques


Transistor MOSFET


Transistor


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ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 4

Fiche synthse des transistors effet champs

Vous remarquerez que pour trouver

les courbes des transistors

complmentaires il suffit dinverser

les signes , condition toutefois de

conserver les mmes conventions

de flchages courants/tensionsP

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