1 Cours Diode Final Web

7/27/2019 1 Cours Diode Final Web

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SEMI CONDUCTEURS :SEMI CONDUCTEURS :

DIODESDIODES--TRANSISTRORS MOSTRANSISTRORS MOSAOPAOP

Christian Dupaty Jean Max Dutertre

pour l EMSEDaprs un diaporama original de Thomas HeiserInstitut d'Electronique du Solide et des Systmes


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2

Paramtres

(coefficients)

Ne Ns

Amplification

en puissance

Amplification etFiltrage :

Conditionnement

Electronique

ANALOGIQUE

Electronique

NUMERIQUE

Architecture analogique numrique analogique

ConvertisseurAnalogique

Numrique

ConvertisseurNumrique

Analogique

Unit de calcul

(DSP ,

Microcontrleur,

FPGA)


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3

Instrumentation

Robotique

Communications

Multimdia

Systmes informatiques

Cartes mmoires

Pourquoi quelles applications ?


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4

Histoire des semi-conducteurs

1904 invention de la Diode par John FLEMING Premier tube vide.

1904 Triode (Lampe) par L. DE FOREST Muse . Cest un amplificateurd'intensit lectrique.

1919 Basculeur (flip-flop)de W. H. ECCLES et F. W. JORDAN .Il faudraencore une quinzaine d'annes avant que l'on s'aperoive que ce circuitpouvait servir de base l'utilisation lectronique de l'algbre de BOOLE.

1937 Additionneur binaire relais par G. STIBITZ

1942 Diodes au germanium Le germanium est un semi-conducteur, c'est dire que "dop" par des impurets, il conduit dans un sens ou dans l'autresuivant la nature de cette impuret. Par l'association d'un morceau de

germanium dop positivement (P) et un morceau dop ngativement (N), onobtient une diode qui ne conduit le courant que dans un seul sens.

Et les transistors


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5

Le transistor effet de champ a t invent en 1925-1928 par J.E. Lilienfeld (bienavant le transistor bipolaire). Un brevet a t dpos, mais aucune ralisation n'a tpossible avant les annes 60.

1959 : MM. Attala, D. Kahnget E. Labate fabrique le

premier transistor effet dechamp (FET)


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6

Paralllement le premier prototype du transistor bipolaire est

fabriqu en 1947

En 1947 : le premier transistor bipolaire

En 1957 : le premier CI (Texas-Instruments)


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7

William Shockley (assis), John

Bardeen, and Walter Brattain,1948.

William Shockley 1910-1989prix Nobel de physique

1956


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8

Le premier rcepteur radio transistors bipolaires


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En 1971 : le premier Processeur

4004 dINTEL : 15/11/1971(2250 Transistors Bipolaires,108 KHz, 4bits)


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INTEL ITANIUM Tukwila core

2010 processeur IBM POWER7 , INTEL XEON et ITANIUM

109 Transistors MOS(Nud technologique = taille de la grille dun transistor : 45nm)


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Electronique molculaire

Une molcule comme composant

Electronique sur plastique

Les technologies mergentes


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Mais a ne se fait pas tout seul...


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Contenu du cours d lectronique analogique 1

1. Introduction aux semi-conducteurs, jonction PN

2. Les Diodes

3. Applications des diodes

4. Les Transistors effet de champ

5. Amplificateur oprationnel


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*Electronique: composants et systmes d'application, Thomas L. Floyd, Dunod, 2000

*Microlectronique, Jacob Millman, Arvin Grabel, Ediscience International, 1994

* ELECTRONIQUE Fondements et applications DUNOD 2006

*ELECTRONIQUE ANALOGIQUE VALKOV Educalivre 1994

*Comprendre llectronique par la simulation", Serge Dusausay, Ed. Vuibert

*Principes dlectronique", A.P. Malvino, Dunod

*Microelectronics circuits", A.S. Sedra, K.C. Smith, Oxford University Press

*CMOS Analog Circuit Design", P.E. Allen, D.R. Holberg

*Design of Analog CMOS Integrated Circuits", B. Razavi, McGraw Hill

Bibliographie


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LES SEMI-CONDUCTEURS

I t d ti i d t l j ti PN


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Introduction aux semi-conducteurs, la jonction PN

I Matriaux semi-conducteurs.1 Introduction.

Quest ce quun semi-conducteur ?Ni un conducteur, ni un isolant.

Colonne IVA : Si, Ge.

Association IIIA-VA : AsGa, etc.

I M t i i d t


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I Matriaux semi-conducteurs

2 Modle des bandes dnergie.

Atome de silicium : le noyau comporte 14 protons nuage comportant 14 e-

Rpartition lectronique : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

couche devalence : 4 e-

14+

-

--

-

-

- - -

-

-

--

-

-

Les lectrons voluent sur des orbites stables correspondant des niveaux dnergie discrets (spars les uns des autres).

Energie(eV)

Niveaux dnergielectronique dunatome isol :

I M t i x s mi d t s


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Principe dexclusion de Pauli : deux lectrons ne peuvent occuper le mme tat

quantique.

En consquence, si deux atomes identiques sont approchs une distance de lordrede leur rayon atomique les niveaux dnergie se ddoublent.

Dans le cas dun cristal, la multiplication des niveaux cre des bandes dnergiepermise (quasi-continuum), spares par des bandes dnergie interdites (c.--d. necontenant pas dtat stable possible pour les e-).

Energie(eV)

Niveaux dnergielectronique de 2atomes proches :

Energie(eV)

Niveaux dnergielectronique duncristal :

bande permise

bande interdite

Gap

Bande de valence : contient les tats lectroniques des couches priphriques desatomes du cristal (c.--d. les e- de valence, 4 pour le Si)

Bande de conduction : bande permise immdiatement suprieure en nergie labande de valence. Les e-y sont quasi-libres, ils ont rompus leur lien avec leur atomedorigine, ils permettent la conduction dun courant.

I Matriaux semi conducteurs


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3 Comparaison isolants, conducteurs, et semi-conducteurs.


Classification en fonction de leur rsistivit[.m]

Isolant : > 106 .m

Conducteurs : < 10-6 .m

Semi-conducteur : intermdiaire

Semi-conducteurEg ~ 1 eV

IsolantEg ~ qqs eV

ConducteurEg ~ 0 eV

=

s

lR .

Energie(eV)

Eg

conductionconduction

valence

Energie(eV)

Eg

conduction

valence

Energie(eV)

conduction

valence

300K Si Ge AsGa

Eg (eV) 1,12 0,66 1,43



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4 Le silicium.a. Semi-conducteur intrinsque (cristal pur).


Cristal de silicium : 4 e- de valence Si

association avec 4 atomes voisins pour obtenir 8 e- sur la couche de valence (rglede loctet, la couche de valence est sature) :

Si Si Si SiSi Si Si Si

Si Si Si Si

liaison covalente

Structure de la maille cristalline : cubique face centre



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Cration de paires lectrons - trous

sous laction dun apport dnergie thermique (par exemple)

Energie(eV)

Eg

b. conduction

b. valence

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Le bandgapEg reprsente lnergie minimale ncessaire pour rompre la liaison.

Dplacement des e- libres courant



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Dplacement des trous : de proche en proche courant (de charges +)


Si Si Si Si Si Si Si Si Si

Si Si SiSi

Dans un semi-conducteur il existe 2 types de porteurs de charges :

des porteurs ngatifs : les lectrons de la bande de conduction,

et des porteurs positifs :les trous de la bande de valence.

Le phnomne de cration de paires e- - trous saccompagne dun phnomne derecombinaison (les e- libres sont capturs par les trous, ils redeviennent e- de valence)

Dure de vie dun porteur = temps sparant la recombinaison de la gnration.



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23

Le cristal est lectriquement neutre :inpn

==


[ ]

323

2exp..

= cm

kT

ETAn

g

i

Concentration intrinsque de porteurs lquilibre thermodynamique :

A cste spcifique au matriau [cm-3/K3/2]

Eg bandgap[eV]

k = 1,38.10-23 J/K

T temprature [K]

Loi daction de masse : ),(.2

gi ETnpn =

elle est toujours vrifie pour un cristal lquilibre thermique(quil soit intrinsque ou non)

.

31010.4,1 cmni

300K, Si :



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Phnomne de transport de charges :

courant de conduction cr sous laction dun champ lectrique,

courant de diffusion cr par un gradient de concentration de porteurs.

densit de courant [A/cm2] :

VT= kT/q = 26 mV 300K, potentiel thermodynamique [V]

ngradVqEnqJ Tnnn

+= rr

pgradVqEpqJTppp

= rr

n,p mobilit [cm2/V.s]

Pour le Sin = 1400 cm2/V.s,p = 500 cm2/V.s



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Intrt des semi-conducteurs : possibilit de contrler la quantit de porteurs de

charges libres (e- et trous) et par consquent la rsistivit.

Comment ? dopage, radiations, temprature, injection de courant, etc.

b. Semi-conducteur extrinsque de type N (ngatif = signe des porteurs de charge majoritaires).

Obtenus par dopage = introduction datomes du groupe V (cf. classificationpriodique, 5 e- sur la couche de valence) en lieu et place datomes de Si,gnralement du phosphore P ou de larsenic As.

libration dun e

-

libre, les 4 autres se liant aux atomes de Si voisins (atomedonneur) :

Si Si Si Si

Si Si As+ Si

Si Si Si Si

-

Energie(eV)

b. conduction

b. valence

ED

As+ : cation fixe



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Le cristal garde sa neutralit lectrique globale ( chaque lectron libre donnpar

les atomes dimpuret correspond un cation fixe).

Porteurs de charges :

majoritaires : e- tq n ND , concentration du dopage,

minoritaires : trous issus de la gnrations thermique de paires e- - trous tq

Di Nnp /2



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c. Semi-conducteur extrinsque de type P (positif = signe des porteurs majoritaires).

Obtenus par dopage = introduction datomes du groupe III (cf. classificationpriodique, 3 e- sur la couche de valence) en lieu et place datomes de Si,gnralement du bore B ou du gallium Ga.

seules trois liaisons covalentes peuvent tre cres, la 4me

reste incomplte, untrou est cr pour chaque atome de dopage. Il va pouvoir tre combl par un e- duneliaison covalente proche (atome accepteur).

Energie

(eV)b. conduction

b. valence

EA

B- : anion fixe

+

Si Si Si Si

Si Si B Si

B- Si Si Si



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M u m u u

Le cristal garde sa neutralit lectrique globale (pour chaque lectron libre accept

par les atomes dimpuret crant un anion fixe, un trou est cr).

Porteurs de charges :

majoritaires : trous tq p NA , concentration de dopage,

minoritaires : e- issus de la gnrations thermique de paires e- - trous tq

Ai Nnn /2

d. Phnomnes de gnration et de recombinaison. gnration sous leffet dapport dnergie thermique, photonique, dun champlectrique, de radiations ionisantes, etc.

Energie(eV)

b. conduction

b. valence

Energie(eV)

b. conduction

b. valence

h h



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5 La jonction PN.

Un semi-conducteur seul (N ou P) prsente peu dintrt, cest lassociation deplusieurs SC dops qui permet de crer les composants semi-conducteurs. Le plussimple dentre eux est la jonction PN (ou diode), il permet en outre dapprhender lefonctionnement des transistors.

a. Jonction PN non polarise, lquilibre.

ion fixe

troumobile

paire e- - trouminoritaire

ion fixe

e-

mobile

paire e- - trouminoritaire

Semi-conducteur P Semi-conducteur N

majoritairemajoritaire

Que se passe-t-il si lon met en contact un s.-c. de type P avec un s.-c. de type N pourraliser une jonction PN ? (! Attention ! cest simplement une vue de lesprit, ce nest pas ainsi que lonprocde)



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30

Considrant la jonction dans son ensemble, il existe un gradient de porteurs de

charges :

cration dun courant de diffusion :

des trous mobiles du s.-c. P vers le s.-c. N, au moment de leur entre dans lazone N contenant des e- majoritaires les trous se recombinent avec les e-,

des e- mobiles du s.-c. N vers le s.-c. P, au moment de leur entre dans la zone Pcontenant des trous majoritaires les e- se recombinent avec les trous.

Chaque trou (resp. e-) majoritaire quittant le s.-c. P (N) laisse derrire lui un anion(cation) fixe et entrane lapparition dun cation (anion) fixe dans le s.-c. N (P) du fait

de sa recombinaison avec un e- (trou). Ces ions sont localiss proximit de la zone decontact entre les deux s.-c. (la zone de charge despace, ZCE), ils sont lorigine de lacration dun champ lectrique qui soppose au courant de diffusion. Ce champlectrique est quivalent une diffrence de potentiel appele barrire de potentiel(V0 = 0,7 V pour le silicium, 0,3 V pour le germanium).

Un tat dquilibre est atteint, pour lequel :

seuls qqs porteurs majoritaires ont une nergie suffisante pour franchir la ZCE etcontribuer au courant de diffusion ID, il est compens par,

un courant de saturation inverse, Is, cr par les porteurs minoritaires lorsqu'ilssont capturs par le champ lectrique de la ZCE.



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31

zone neutre

Jonction PN non

polarise, lquilibre : s.-c P zone neutres.-c N

zone de chargedespace

EEnergie(eV) b. conduction

b. valence

0qV

s.-c N

V0 : barrire

de potentieltq

ZCE = zone de dpltion = zone dserte

DI

sI

=

20ln.

i

DA

n

NN

q

kTV

=

kT

eVIIs

00 exp.



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b. Jonction PN polarise en direct.

P N

VPN > 0

R

IPN


b. valence

( )PNVVq 0

Valim

abaissement de la barrire de potentiel

rduction de la ZCE et du champ lectrique



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On tablit :

= 1. T

PNVV

sPN eII

On retiendra que le courant traverse facilement une diode polarise en direct

(VPN > V0)

Rsistance dynamique dune jonction polarise en direct :

Valim = Valim + dV IPN = IPN + dI

On obtient :

PN

T

I

V

dI

dV

r==



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34

Charge stocke dans une jonction polarise en direct :

Non polaris :

Polarisationdirecte :

Avant de bloquer une jonction PN polarise en directe il faut vacuer ces chargesen excs par rapport la situation dquilibre courant inverse transitoire (cf.temps de recouvrement dans la suite du cours).



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b. valence

( )lim0 aVVq +

c. Jonction PN polarise en inverse.

P N

VPN

= - Valim

< 0

R

IPN 0

Valim

augmentation de la barrire de potentiel

largissement de la ZCE et intensification du champlectrique



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Claquage :

Tension de claquage = tension inverse limite supportable au-del de laquelle apparait lephnomne davalanche.

Sous leffet dune tension inverse leve les porteurs minoritaires sont acclrs etacquirent suffisamment dnergie pour arracher leur tour dautre e- de valence lorsdes chocs. Une raction en chaineapparait.

le courant inverse devient trs important (claquage).

le courant de diffusion (porteurs majoritaires) est quasi-nul.

seul subsiste un courant inverse trs faible, IPN = -Is, de porteurs minoritaires.



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37

d. Influence de la temprature.

Sur Is :

courant d aux porteurs minoritaires crs par gnration thermique, il augmenterapidement avec T pour le Si il double tout les 7C.

Sur V0 la barrire de potentiel :

pour le Si autour de 300K elle dcroit de 2 mV pour une augmentation de 1C.

= /20 mVdT

dV



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6 La diode jonction PN.

P N

A Kanode "k"athode

VAK

IAK


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Diffrentes diodes : Symboles

Diode

Diode Zener

Diode Schottky

Diode Varicap

Diode lectro luminescente (LED)

Anode A Cathode K

En inverse pour la rgulation

Pour les commutations rapide

En HF

Faut il la prsenter ?


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404040

Diodes de signal (ex 1N914)

Faible intensit (jusqu 100 mA)

Faible tension inverse (jusqu 100V)

Souvent trs rapides (trr


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41

Diodes de redressement (ex 1N400x)

Forte intensit (1A) Forte tension inverse (jusqu 1000V)

Lente en commutation (trr>100ns)

rserve aux basses frquences Botier plastique

Lanneau repre la cathode

Marquage le plus souvent en clair

Diodes LEDs


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42

Choisies pour leur couleur,luminosit et taille

La tension Vf dpend dela couleur (nergie)

Lintensit est pulse pour accrotrelefficacit lumineuse

Bicolores deux ou multicolore par

combinaisons de courants Isoles ou assembles

Di d d i


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43

Diodes de puissance

Utilises gnralement pour le

redressement de puissanceDans les onduleurs par exemple

IF >100A


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Autres diodes

SCHOTTKY pour la commutation rapide enpuissance et la faible chute Vf

TRANSIL pour absorber les courants duesaux surtensions (protection aux dcharges)

PHOTODIODE polarise en inverse cest un

convertisseur lumire/courant

2. Les Diodes


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Id

Vd

2.1 Dfinition

n Caractristique courant-tension dune diode

idale :

Id

Vdsous polarisation directe

(Vd0), la diode = court-

circuit

(i.e. conducteurparfait)

sous polarisation inverse (Vd


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hyp: rgime

statique

(tension et courantindpendants du

temps)

Vd-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

20

60

100

140

Id

Is

Pour Vd> ~0.6v, le courant augmente rapidement avec une variation peu prs linaire

la diode est dite passante

mais Id nest pas proportionnel Vd (il existe une tension seuil~ Vo)

Vo

140

Id


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Vd-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

20

60

100

140

1Td

Vm

V

sd eII

Zone du coude : Vd[0,~ Vo] : augmentation exponentielle du courant

avec 1m 2 (facteur didalit)VT= k T/e ,pour T=300K (26,85C), VT=26mV

e= 1.6 10-19Coulomb, Tla temprature en Kelvin

k = 1,38 10-23 J/K= constante de Boltzmann

Is = courant inverse

le comportement est fortement non-linairevariation avec la tempratureRq : pour Vd>>Vt le terme (-1) est negligeable

Vo

Influence de T :

Vd( Id constant) diminue de ~2mV/C

diode bloque : Id= IS double tous les 10C

diode passante :

(diode en Si)

Limites de fonctionnement :


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48

Zone de claquage inverse

Ordre de grandeur :

Vmax= quelques dizaines de Volts qq 1000v

peut conduire la destruction pour

une diode non conue pour

fonctionner dans cette zone.

Vmax= P.I. V (Peak Inverse Voltage)

ou P.R.V (Peak Reverse Voltage)

Id

Vd

Vmax

claquage par effet

Zener ou Avalanche

Vo

Il faut que VdId=Pmax

Limitation en puissance

VdId=Pmax

2.3 Diode dans un circuit et droite de charge


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49

2.3.1 Point de fonctionnement

Val RLVR

Id

Id , Vd, ?

Comment dterminer la tension aux bornes dune diode insre dans un

circuit et le courant qui la traverse?

Vd

Id et Vd respectent les Lois de Kirchhoff (conservation d nergie, loi des nuds,

loi des mailles)

Id et Vd sont sur la caractristique I(V) du composant

Au point de fonctionnement de la diode, (Id,Vd) remplissent ces deux conditions

2.3.2 Droite de charge

dl VV


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50

Val/RL

Val

Droite de charge

Id

Vd

Caractristique I(V)

Loi de Kirchoff :L

dald

R

VVI

=L = Droite de charge de la diode dans le circuit

Connaissant Id(Vd) on peut dterminer graphiquement le point de fonctionnement

procdure valable quelque soit la caractristique I(V) du composant !

On peut calculer le point de fonctionnement en dcrivant la diode par un

modle simplifi.

Q= Point de fonctionnementIQ

VQ

Q

2.4 Modles Statiques segments linaires

2 4 1 Premire approximation: Diode idale

hyp: Id, Vd constants


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51

2.4.1. Premire approximation: Diode idale

On nglige lcart entre les caractristiques relle et idaleCe modle est surtout utilis en electronique numrique

Val>0

Id

Vd

Val

pente=1/Ri

Val< 0

Id

Vd

Val

Val

Ri

Id

Vd

IdV

d

pas de tension seuil

conducteur parfait sous polarisation directe

Vd


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52

Id

Vd

Id

Vd

tension seuil Vo non nulle

caractristique directeverticale (pas de rsistance

srie)

Vd


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53

Id

Vd

tension seuil Vo non nulle

rsistance directe Rfnon nulle Vd Vo :

Val

Ri

Id

Vd

Val Rr

diode bloqueVal M,

Remarques :DIODE PARFAITRI

VF


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54

d

df

I

VR

Le choix du modle dpend de la prcision requise.

Les effets secondaires (influence de la temprature, non-linarit de la

caractristique inverse, .) sont pris en compte par des modles plus

volus (modles utiliss dans les simulateurs de circuit de type SPICE).

.model D1N757 D(Is=2.453f Rs=2.9 Ikf=0 N=1 Xti=3 Eg=1.11 Cjo=78p

M=.4399+ Vj=.75 Fc=.5 Isr=1.762n Nr=2 Bv=9.1 Ibv=.48516 Nbv=.7022+ Ibvl=1m Nbvl=.13785 Tbv1=604.396u)* Motorola pid=1N757 case=DO-35

* 89-9-18 gjg* Vz = 9.1 @ 20mA, Zz = 21 @ 1mA, Zz = 7.25 @ 5mA, Zz = 2.7 @ 20mA

Exemple de modle SPICE : diode 1N757

Modle couramment utilis

Exemple : Calcul de Q du circuit suivant en utilisant la 3ime approximation pour la diode

2.4.4 Calcul du point de fonctionnement via lutilisation des schmas quivalents :


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55

Exemple : Calcul de Q du circuit suivant, en utilisant la 3ime approximation pour la diode.

Val= 5VRL=

1k

>

mARR

VVI

Lf

oal

d33,4=

+

=L

VIRVV dfod 66,0et =+=

Informations sur la diode:

Vo = 0.6V ( Si)

Rf= 15

Rr=1M

5V 1k

Vo

Rf

Vd

>

Id

hypothse initiale : diode passante [Vd>Vo, (Id>0)]

OK!

En utilisant la 2ime approximation: (Rf

= 0, Rr

= ) VVmAIdd

6,0et4,4 ==L

La 2ime approx. est souvent suffisante pour une tude qualitative du fonctionnementdun circuit .

EXERCICES: Caractristiques des diodes :Rf = 30 V =0 6V I =0 et RR infinie


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56

1)

Val

50

1M

Calcul de Idet Vd

pour :

a)Val= -5V

b) Val= 5V

Rf 30, Vo 0.6V, Is 0 et RR infinie

Conseil: simplifier le circuit dabord avant de vous lancer dans des

calculs

Val=-5v diode bloque Id=0, Vd =-5vVal=+5v diode passante Vd=0,6v

Id=(Val-V0)/(50+30)=55mA

Diodes au Si (Rf= 30, Vo=0.6V, Is=0 et RRinfinie)3) D1 D2


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57

2 V R=100

4)

1V

R=50

Dfinir If

Dfinir IR en appliquant

lapproximation 2

(Rf=0)

EXERCICES

If=(2-2*V0)/(R+2Rf)=5mA

IR=(1-Vf)/(R+Rf/2)=0.4/50=6.15mA

Ve (V)

VeMAX


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t

Vcc

avec ventre

signal sinusodal basse frquence 10Hz

damplitude VeMAX = 10V tel que le modle statique reste

valable (priode du signal < temps de rponse de la diode

pas deffet capacitif )

Etude du signal de sortie en fonction de lamplitude du

signal dentre :

-0,6v

Vcc+ 0,6v

R1R1(1) R1(1) R1(2)


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59

DIODE0 La courbe R1(2) reprsente la tension

aux bornes de la diode, lorsque la

diode conduit la tension ses bornesest VF, quasiment constante

R1

1k

D11N914

R1(1) R1(1) R1(2)

R1

1k

R1(1) R1(1) R1(2)


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60

DIODE1 La courbe R1(2) reprsente la

tension aux bornes de la diode plus

2v, lorsque la diode conduit latension ses bornes est VF

D1

1N914

V12V

Exemples dapplication de la diode en LOGIQUE

Ralisation dun fonction logique avec R D


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61

Ralisation d un fonction logique avec R, D

Tmoin sonore de la lumire externe non teinte dans les automobiles

-la lumire interne sallume lorsque la porte est

ouverte et elle steint si la porte est ferme

- Une alarme sonne si la lumire

externe est allume et la porte souverte- pas de sonnerie si la lumire externe

est allume mais la porte est ferme

12V DC

Lumire

extrieure

Lumire

intrieure

Donner les deux positions de la porte et placer

un circuit type Diode + Alarme pour rpondre

ce besoin.

Porte

ferme

ouverte

2.5 Comportement dynamique d une diode

2.5.1 Prambule : Analyse statique / dynamique dun circuit


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62

L Analyse dynamique

ne concerne que les composantes variables des tensions et courants (ou signaux

lectriques, ou encore composantes alternatives (AC) )

Lanalyse dynamique permet de dfinir la fonction de transfert informationnelle

na dintrt que sil y a des sources variables!

L Analyse statique

se limite au calcul des valeurs moyennes des grandeurs lectriques

(ou composantes continues (DC) , ou encore composantes statiques)

Lanalyse statique permet de dfinir le point de polarisation

* = Analyse complte du circuit si seules des sources statiques sont prsentes

Notation : lettres majuscules pour les composantes continues

lettres minuscules pour les composantes variables

Illustration : Etude la tension aux bornes dun composant insr dans un circuit.

R


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63

R1

R2 V(t)=V+v(t)VE

ve

hypothses:

ve = signal sinusodal, valeur moyenne nulleVE= source statique

Principe de superposition :

* Comme tous les composants sont linaires, le principe de superposition sapplique

la source statique VE est lorigine de V , et ve est lorigine de v

Calcul complet

( ) ( )[ ] ( )tvRR

RV

RR

RtvV

RR

RtV eEeE

21

2

21

2

21

2

++

+=+

+=

Vv(t)

R1Analyse statique :


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64

VE R2 V

y q

schma statique du circuit

EVRR

R

V21

2

+=

Analyse dynamique :VE= 0( ) ( )tv

RR

Rtv e

21

2

+=ve

R1

R2

schma dynamique

v

Une source de tension statique correspond un court-circuit dynamique

0=ev

En statique, une source de tension variable valeur moyenne nulle correspond un

court-circuit

Autres exemples:R1 R2

1)


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65

ve Io R3 V(t)=V+v(t)

)

Une source de courant statique est quivalent en rgime dynamique un circuit

ouvert. [puisque i(t)=0!]

Schma dynamique

ve

R1 R2

R3

v( )

( )

321

3

RRR

tvRtv e

++=

Schma statique

Io

R1 R2

R3V

oIRRR

RRV321

31

++=

2)

Val* C= composant linaire caractris par une impdance

qui dpend de la frquence du signal


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66

V(t)vg

Rg

R1

R2

C

Schma statique :

alVRR

RV

21

2

+=

frquence nulle C= circuit ouvert

qui dpend de la frquence du signal

V

ValR1

R2

Schma dynamique :

jCZc

1=


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67

v

vg

Rg

R1

R2

schma quivalent dynamique

gg

vZRR

RRv

+=

12

12

//

//jC

RZ gg1

avec +=

pour suffisamment leve : gg

vRRR

RRv

+=

12

12

//

//

ZC

gg RZ et

A trs hautes frquences ( prciser suivant le cas), le condensateur peut tre

remplac par un court-circuit.

POLARISATION etsignal


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VCC

R110k

R210k

R3

100

C1

100u

VE

AMP=1V

FREQ=1000Hz

B110V

R1(2)Ve

Le principe de superposition nest plus valable en prsence de composants non-

linaires !


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69

linaires !

Extrapolations possibles:

le point de fonctionnement reste dans un des domaines de linarit du

composant non-linaire

lamplitude du signal est suffisamment faible pour que le comportement ducomposant reste approximativement linaire.

modle linaire petits signauxde la diode

2.5.2 Modle petits signaux (basses frquences)

hypothse: variation suffisamment lente (basse frquence) pour que la

caractristique statique reste valable.


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70

Variation de faible amplitude autour du point de fonctionnement statique Q :

la caractristique Id(Vd) peut tre approxime par la tangente en Q

d

Qd

dd v

dV

dIi

schma quivalent dynamique

correspondant au point Q :

1

Qd

d

dV

dI= rsistance

dynamique de la

diode

Id

Vd

Vo

Q

Qd

ddVdI

pente :

QdI

Qd

V

2|id|

2| v|

* Ce schma ne peut tre utilis QUE pour une analyse dynamique du circuit !

q q

Notation :

rf= = rsistance dynamique pour VdQ> 0

1

d

d

dV

dI


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71

rr= = rsistance dynamique pour VdQ < 0

0>d

VddV

1

0

> Vo, rf Rf

Pour Vd< 0 , rr Rr

Pour Vd [0, ~Vo] , d

TmV

V

sT

s

mV

V

sdVd

d

f I

V

meImVIeIdV

d

dV

dI

rT

d

T

d

d

=

=

=

11

1

.

1

.

* proche de Vo la caractristique I(V) scarte de la loi exponentielle

rf ne devient jamais infrieure Rf (voir courbe exprimentale)

Id

Exemple :

1k CRb2k

diode: Si, Rf= 10, Vo = 0,6V ,

Temprature : 300K

F(V ) 1KH 0 1V

1

CZc =


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Vd(t)Ve ve

Ra 10F

D

5V

Analyse statique : VVmAI DD 62,0,2,22000

6,05

=

( )tve = 210sin1,03

Analyse dynamique : ,122,2

26=fr ac RZ


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73

DIODE3

R1

1k

D11N914

R1(1) R1(1)

D1(A)

V15V

C1

10uF

2k

2.5.3 Rponse frquentielle des diodes

Limitation haute frquence :


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q

Pour des raisons physiques, le courant Id ne peut suivre les variations

instantanes de Vd au del dune certaine frquence.

Le temps de rponse de la diode dpend :

du sens de variation (passant bloqu, bloqu passant) ( signaux degrande amplitude)

du point de fonctionnement statique (pour des petites variations)

apparition dun dphasage entre Idet Vd

le modle dynamique basse frquence nest plus valable

Variation de Vd de faible amplitude, sous polarisation directe (VdQ >0)

* une petite variation de Vd induit une grande variation Id, cest --dire descharges qui traversent la diode


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charges qui traversent la diode

* A haute frquence, des charges restent stockes dans la diode (elle narriventpas suivre les variations de Vd)

* ~ Comportement dun condensateur, dont la valeur augmente avec Id(cf physique des dispositifs semiconducteurs)

Ordre de grandeur : Cd~ 40 nF 1mA, 300K.

Modle petits signaux haute frquence (Vd>0) :

T

IC

Q

dd

= capacit de diffusion

rc

rsc

* basse frquence : rc+ rsc= rf

* la sparation en deux rsistances tient mieux compte des phnomnes physiques en jeu.

suite de lexemple prcdent:

Rb

5V

I = 2 2mA C ~100nF

A quelle frquence la capacit dynamique commence-

t-elle influencer la tension vd?


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Vd(t)ve

Ra

1k C

10F D

Rb

2kId

= 2,2mA Cdiff

100nF

thv

vlog

log f

-3dB

kHzCr

fdiffth

1302

1 =

Schma dynamique en tenant compte de Cdiff:

1k

ve

~ 12

v

Cdiff

rth ~11

vth

v

Cdiff = filtre passe-bas

(hyp simplificatrice: rc ~0)

Diode en commutation : Temps de recouvrement direct et inverse

Le temps de rponse fini de la diode sobserve aussi en mode impulsionnel , lorsque

la diode bascule dun tat passant vers un tat bloqu et vice-versa.


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o le temps de rponse dpend du courant avant commutation.

o ordre de grandeur : ps ns

p q

VdVg

R

Vo

Vg

t

-VR

VQ

temps de rponse-VR

VdVo

Id

(VQ-Vo)/R

-VR/R

R1

1k

R1(1) R1(2)R1(1)


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Le simulateur SPICE tient compte du

temps de recouvrement des diodes

(1N914 vs 1N4004)

DIODE4

D11N4004

R1

1k

R1(1) R1(2)R1(1)

D11N914

2.6 Quelques diodes spciales

* Diode conue pour fonctionner dans la zone de claquage inverse, caractrise par

2.6.1 Diode Zener


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Ordre de grandeur : VZ~1-100 V , Imin ~0,01- 0,1mA, Pmax rgime de fonctionnement

p q g , p

une tension seuil ngative ou tension Zener (VZ)

-Imax

Imax: courant max. support par la diode

(puissance max:Pmax~VZImax)

-Vz

VZ: tension Zener (par dfinition: VZ >0)

-Imin

Imin : courant minimal (en valeur absolue) au

del duquel commence le domaine linaire

Zener

Id

Vd

n Caractristiques

schmas quivalents

hyp : Q domaine ZenerModle statique :


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Id

Vd-Vz

-Imin

-Imax

pente1/Rz

Q

Vz

VdId

+

Rz

Modle dynamique, basses frquences,

faibles signaux :

z

Qd

dz R

dV

dIr

=

1

pour |Id| >Imin

2.6.2 Diode lectroluminescente (ou LED)

Principe : La circulation du courant provoque la luminescence


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Fonctionnement sous polarisation directe (V > Vo)

Lintensit lumineuse courant lectriqueId

Ne marche pas avec le Si

Vo 0.7V !

Vo dpend de la couleur

CouleurLongueur donde(nm)

Tension de seuil (V)

IR >760 Vs


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Rouge 610


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proportionnel lnergie lumineuse reue(gnralement dans linfrarouge)

Capteur CCD

3. Applications des Diodes

3.1 Limiteur de crte (clipping)

Fonction : Protger les circuits sensibles (circuits intgrs, amplificateur grand gain)


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contre une tension dentre trop leve ou dune polarit donne.

Id

Vd=Ve

Vg

Q

Vo

droite de charge

eg

g

ZR

V

//

Limite dutilisation : Puissance maximale tolre par la diode.

Clipping parallle

VeVgcircuit

protger

Rg

Ze

(diode // charge)

Clipping srie :

Ve(t)circuit

protgerZ

e

Vg

Rg

Protection contre une surtension inductive (ex: ouverture/ fermeture dun relais)


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Protection par diode

:

Vmax


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Vs atteint VCC+0,7v.Lnergie accumule dans L1est dissipe dans larsistance interne de la diodedurant environ 250uS, il y aensuite un phnomneoscillatoire due la capacitde la diode (circuit LC //), cephnomne apparait lorsquele point de fonctionnement dela diode sapproche du coude(fonctionnement non linaire).

A suivre .


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Le transistor effet de champ

Pour prparer la prochaine squence :

Bien connaitre la loi dOhm, les thormes de superposition et de Millman

Intgrer les concepts de grandeurs alternatives et continues, le principe depolarisation et de variation dune grandeur lectrique autour dun point derepos.

Revoir les exercices, tre capable dexpliquer les formes et grandeurs des

signaux sur les graphes temporels.

Documents

1 Cours Diode Final Web