Semi Conducteurs Et Composants - bravo.univ-tln.frbravo.univ-tln.fr/en/6-EN1-Semiconducteurs.pdf · Redressement dans une chaîne de conversion AC-DC. 16. abaisser le niveau de tension

ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 1

Semi ConducteursEt

Composants

ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo

Objectifs

Connaitre le principe de fonctionnement de la diode de la diode zner du transistor

Matriser et manipuler des modles quivalents statiques de la diode de la diode zner Du transistor

Etre capable de polariser correctement un transistor Fonctionnement bloqu /satur Fonctionnement en source de courant contrl

2


Atomes

Physique des semi-conducteursDiode

Transistor

Structures des atomes Un noyau + des lectrons

Des orbites associes des tat nergtiqueso La couche priphrique est appele Couche de valenceo Elle intervient dans l'tablissement des liaisons

chimiques entre diffrents atomes pour former desmolcules.

3


Atomes


Transistor

4

4 lectrons de valence

3 couches

occupes: K,L,M

Dopage type PDopage type N


Atomes


Transistor

Bandes dnergies Rpartition nergtiques en bandes discontinues

o Orbitales associes des tats nergtiqueso Bandes interdites

2 bandes impliques dans la conduction lectriqueo La bande de conduction et bande de valence

5


Semi-conducteur


Transistor

Structure cristalline du silicium non dop

Proprits : Structure cristalline trs rigide. 4 liaisons par atome assurant la rigidit du cristal

6



Transistor

Cration dune paire lectron-trou Sous laction de la temprature,

un lectron provenant dune liaison peut se librer. Llectron (charg ngativement)

laisse sa place un trou (charg positivement). Les trous et lectrons sont

appels porteurs libres ils sont le support du courant lectrique.

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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

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Type N Type P


Jonction PN


Transistor

Avant quilibre

9

Des lectrons, porteurs libres majoritairesapports par les impuretsDes trous, porteurs libres minoritaires dus lagitation thermique.Des ions fixes chargs positivement : lesimpurets ayant perdu un lectron

Des trous, porteurs libres majoritaires apports par les impuretsDes lectrons, porteurs libres minoritaires dus lagitation thermique.Des ions fixes chargs ngativement : les impurets ayant perdu un trou.

Phnomne de diffusion


Jonction PNr


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

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


Le composant DIODE

Diode Diode Zner


Transistor

Composants

Symboles

Modle de shockley Ordre de grandeur de Is (qq nA) Mise en vidence de linfluence de la To

11

( 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


Principe de fonctionnement

Diode Diode Zner


Transistor

Diode polarise en direct La barrire de potentiel VD diminue. A partir dune tension de seuil : les porteurs peuvent passer et la diode se comporte

comme un interrupteur ferm

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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=



Diode Diode Zner


Transistor

Diode polarise en inverse La barrire de potentiel VD augmente Peu de porteurs ont lnergie suffisante pour passer : la diode se comporte comme un

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

13


Modlisation

Diode Diode Zner


Transistor

Modles statiques usuels choix en fonction de la prcision souhaite

14

ISIS


Analyse

Diode Diode Zner


Transistor

Mthode de calculs Du bon sens:

o le courant scoule des potentiels les + leves vers les + faibleso La diode est unidirectionnelle en courant: le courant rentre par lanode

Si doutes:o faire une hypothse et on la vrifie (ou pas) a posteriori

15

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

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

Hyp: D passante lorsque e ir=

id


Applications

Diode Diode Zner


Transistor

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

16

abaisser le niveau de tension du secteur

Obtenir une composante continue

Filtrer les harmoniques

Obtenir la tension la plus constante

Rappel sur le transformateur

symbole quations

2 1

1 2

U ImU 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


Applications

DiodeDiode Zner


Transistor

Redressement simple alternance

17

PrsentateurCommentaires de prsentationdmonstration


Applications

DiodeDiode Zner


Transistor

Redressement double alternance

18

Symbole graphique couramment utilis pour reprsenter le pont de graetz


Applications

Diode Diode Zner


Transistor

Redressement double alternance + Filtre

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C

+

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

max

.

c dsir

I TCU

=

. .Q I T C U= = Ce type de montage gnre des courants pulss sur le rseau ( puissance apparente plus leve et pollution lectromagntique)


Applications

DiodeDiode Zner


Transistor

Diode dcrtage Protection des circuits

Diode de roue libre Circuit de dlestage lors des dmagntisations

20

Diode de clamp intgr dans les CI

Circuit inductif

Diode de roue libre

Hacheur srie


La diode zner

DiodeDiode Zner


Transistor

Symbole

Caractristique tension/courant

21

composants

Se comporte comme une diode en polarisation directe

Se comporte comme une source de tension en polarisation inverse

VF

IF

Vz0

Iz

VF

Se comporte comme un interrupteur ouvert

Ici Convention de flchage direct (type diode)


Modlisation

DiodeDiode Zner


Transistor

Flchage en convention zner La zner est normlaement polaris en inverse Plutt que de travailler avec des grandeurs ngatives on inverse le flchage

Modle statique (fonctionnement INVERSE)

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A

K

Pente de la droite =1

Vz0

Iz

VzVz0

Iz

Vz

PrsentateurCommentaires de prsentationDessiner deux modles Modle 1: Vz0= 3,3V modle 2: Vzt=rz*Izt+Vz0 => Vz0= 3,3- 20*80m=1,7V


Modlisation

DiodeDiode Zner


Transistor

Applications type

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Vc0

Vc

Rs

rz

Vz0Rch Vs

Is

Ve

Ie

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

Coefficient amont: = =

Coefficient aval: = =

modlisation

Stabiliser tension

Protger quipement


Analyse

DiodeDiode Zner


Transistor

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

o faire une hypothse en cas de doute

24

On suppose que la diode Zener est bloque =>

E=9V

VL > VZ , donc lhypothse est fausse : la diode fonctionne en zner et donc VL = 5V

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


Transistor bipolaire

Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET


Transistor

Composant

Symbole

Structure interne

25

Flchage tensions/courants





Transistor

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

26

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 base3- la majorit des lectrons inject dans la base (type P) nont pas le temps de se recombiner car 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


Modlisation



Transistor

Modle dEbers Moll simplifi

Caractristique de sortie

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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 => IcB

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

VV

e esI I e=


Circuit de commande



Transistor

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

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VBB VCC

( 1) ( 1)1

D D

T T

V VV Ve

e es b bsII I e I I e

= => = =

+

Maille De commande

Maille de charge


Circuit de commande



Transistor

Polarisation des transistors Polarisation par rsistance de base

o Peu utilis car trs sensible aux dispersion des composants et la temprature

Polarisation par pont

29

On applique le thorme de Thvenin pour trouver VBB et RB

PrsentateurCommentaires de prsentationComplter polar par pont + thvenin qu


Transistor en source de courant commande



Transistor

Fonctionnement linaire Interprtation graphique

30

PrsentateurCommentaires de prsentationecrire


Transistor en interrupteur command



Transistor

Fonctionnement satur Interprtation graphique

Comment saturer un transistor On connait ou on calcule Ic

On calcule =

avec 1; 2 et on dduit RB

31

Dans les datasheets les notations hybrides sont utilises:hFE= ( grandeurs statiques)

IcIb Courbe0

Courbe1

PrsentateurCommentaires de prsentationCommenter la saturation: Rb diminue , Ib1 augmente, on passe de la courbe 0 courbe 1. dplacement du point de fct de IC0 IC1 etc..


Modles quivalents pour les calculs

32

Vbe=0.7V

Ib

Ie

Ic

Ib = Ie

B

C

connatre

TRANSISTOR EN REGIME LINEAIRESOURCE DE COURANT COMMANDEE

TRANSISTOR EN REGIME NON LINEAIREINTERRUPTEUR COMMANDE

B

E E

C

0.7V

IcIb

Le circuit de commande rgle le courant IB qui contrle proportionnellement le courant IC

Le courant IC ne varie plus proportionnellement IB.Le transistor se comporte comme un interrupteur FERM

IcIbIc=IbIc=Ib


Analyse



Transistor

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!

33

connatre


Applications



Transistor

Interfaage et interrupteur command Objectif: adaptation en courant

34

Montage darlington

On notera labsence de diode de roue libre (la dmagntisation se fait par le secondaire du transfo!)

Transistor en commutation (20kHz et +)


Applications



Transistor

Rgulation de tension Source de tension contrle en courant Prsence dune contre-raction 2 types de rgulateur

o Shunt ou ballast

35

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

Rgulation de type sriePrincipe du transistor BALLAST


Applications



Transistor

Rgulateur ballast Le plus utilis jusqu P


Applications



Transistor

Rgulateur de tension intgr Structure ballast

37

Iload = k.123Vdiff

Vce=2Vbe+Vce3

bandgap de Brokaw: rfrence de tension de 1,25V

Vref=1,25V

On retrouve notre tension de dchet Vdropout

Is


Le composant JFET



Transistor

Symbole

Structure

38

canal N canal P

Canal ouvert au maximum Vgs=0

Zone rsistivele canal se rtrcit petit petit au fur et mesure que Vds augmente (Vds faible)Zone pinceau-del dun seuil Vds, la largueur du canal ne change plus (rduite un minimum) => le courant ne dpend plus de Vds


Caractristiques externes du JFET



Transistor

Caractristique pour Vgs=0

39

RD

D

E

G

SVDS

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 certaine limite) de la zone de fonctionnement

= avec <

Graph1

0

11

14

16

16.3

16.3

16.3

16.3

16.3

16.3

VGS=0V

VDS

ID

Feuil1

VDS0-4-3-2-10

000000

1235811

22.6471114

434.8812.516

635812.516.3

7.535812.516.3

1035812.516.3

1235812.516.3

1435812.516.3

1635812.516.3


Caractristiques externes du JFET



Transistor

Rseau de caractristiques Comportement 1: zone de rsistance command en tension = ()) Comportement 2: source de courant command en tension = ())

40

JFET en zone pince Mise en vidence: Du contrle de Vgs sur Id

+

2( )gs PId k V V= 2( )gs PId k V V=


JFET en rsistance commande



Transistor

Rsistance commande

Modle quivalent

41

Id

Vds

Condition de fonctionnement en zone rsistive:

Remarque: <

VDSVGS

S

G DIG = 0

S

rds=h(VGS)

rds

+

12 ( ) 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

dss

VI

=


JFET en rsistance commande



Transistor

Applications

42

Multiplexeur analogique Contrle automatique de gain

Echantillonneur/bloqueur Gain variable


JFET en source de courant



Transistor

Source de courant contrl en tension

Modle quivalent statique ou 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

43

VDSVGS

S

G DIG = 0 ID = f(VGS)

Condition de fonctionnement en zone pince:

Remarque: < > +

2( )gs PId k V V= 2

1 VgsId IdssVp

=

k: transconductance statique exprime en A/V2

on retrouve la mme quation sous une autre forme


composants MOSFET



Transistor

Symboles

Structure enrichissement (Enhancement)

44

Prsence dun dilectrique isolant

Formation du canal de conduction en appliquant Vgs>0


E-MOSFET: caractristiques externes



Transistor

caractristiques

45

Transistor non pinc Transistor pinc (ou satur

Transistor bloqu (Id=0)

VT

retenir: On travaille avec VGS 0 tant que VGS na pas atteint le

seuil VT le transistor est bloqu

Pour les techno FET le sens satur est diffrent de celui des bipolaires


E-MOSFET: modles



Transistor

Modles quivalents Identiques au JFET Rappel : source de courant contrl en tension

o Condition VTo Modle quivalent statique ou grand signal

Applications Tout domaine de llectronique

o Conception de circuits intgrs analogique ou digital (structures CMOS)o Amplificateurso Interrupteurs de puissance

46

VDSVGS

S

G DIG = 0 ID = f(VGS)

attention:VGS et VT>0

22( ) 1p gs

VgsId k V V IdssVp

= =


D-MOSFET: caractristiques externes



Transistor

Structure appauvrissement Permet de travailler en appauvrissement (Dpletion) mais

aussi en enrichissement (VGS>0)

caractristiques

47

le canal est form pour Vgs=0

Les quations restent identiques




Transistor

48

Fiche synthse des transistors effet champs

Vous remarquerez que pour trouverles courbes des transistorscomplmentaires il suffit dinverserles signes , condition toutefois deconserver les mmes conventionsde flchages courants/tensions

P

Diapositive numro 1Diapositive numro 2Physique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorDiapositive numro 32Physique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistor

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