Circuits Électroniques 2023-2024 PDF

Université Abdelmalek Essaadi Faculté des Sciences et Techniques – Al Hoceima MIP – S2 Tronc commun: MIP Circuits Electriques & Electroniques Élaboré par: Pr. Nabil BENAYA...

Université Abdelmalek Essaadi Faculté des Sciences et Techniques – Al Hoceima MIP – S2 Tronc commun: MIP Circuits Electriques & Electroniques Élaboré par: Pr. Nabil BENAYA 2023-2024 Plan Chapitre 4: Introduction aux semi conducteurs et diodes à jonctions PN I. Généralités II. Semi-conducteur intrinsèque (pure) III. Semi conducteur extrinsèque (Dopé) 3.1 Semi Conducteur de type N 3.2 Semi Conducteur de type P IV. La jonction PN V. La diode à jonction PN VI. Diode Zener 2  Généralités – Semi conducteur Un semi-conducteur est un élément qui présente une conductivité électrique intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants (Silicium, germanium,…) 3  Généralités – Semi conducteur En particulier, un milieu est dit conducteur s’il existe des porteurs de charges mobiles p.c.m (électrons, ions, etc.) susceptibles de se déplacer dans tout le milieu. Dans le cas contraire, le milieu est dit isolant. Différents types de porteurs de charges (p.c.m.) ▪ électrons libres (charge q = −e) ▪ trous (charge q = +e). 4  Généralités – Semi conducteur Le Si et le Ge sont à la base de la fabrication de la plupart des composants électroniques. La répartition des électrons sur les différentes couches est donnée en respectant les deux principes suivant : Principe de Pauli (2n2) et principe de stabilité. Si, Z=14 Ge, Z=32 Noyau comportant 14 protons Noyau comporte 32 protons Nuage comportant 32 e 5 Nuage comportant 14 e  Généralités – Semi conducteur Ces éléments (Si, Ge) sont tétravalents car chaque atome possède quatre électrons sur sa couche externe. Rq: La structure du silicium et du germanium est la même, chaque atome est lié à 4 voisins par une liaison covalente : 6  Généralités – Semi conducteur ▪ Les atomes de silicium qui possèdent 4 électrons sur leur dernière couche se regroupent entre eux en échangeant leurs électrons de valence ( liaison de covalence) ▪ Chaque électron est mis en commun par deux atomes voisins de manière à ce que le noyau se trouve entouré par une couche de 8 électrons – Cette structure est très stable. 7  Généralités – Bandes d’énergie Les électrons de la couche externe (de valence) possèdent de l’énergie, l’ensemble des niveaux d’énergie de ces électrons forment la bande de valence (BV). Lorsqu’un électron est arraché de son orbite sous l'effet de l'agitation thermique: son niveau d’énergie augmente et appartient à la bande de conduction (BC). La bande de conduction et la bande de valence sont séparées par une bande interdite (BI). 8  Généralités – Bandes d’énergie Pour franchir la bande interdite, l'électron doit acquérir de l'énergie. Pour les isolants la bande interdite est quasi infranchissable; Quand aux conducteurs elle est inexistante. Les semi-conducteurs ont une bande interdite assez étroite. >9 eV 9  Généralités – Bandes d’énergie Pour franchir la bande interdite, l'électron doit acquérir de l'énergie. Pour les isolants la bande interdite est quasi infranchissable; Quand aux conducteurs elle est inexistante. Les semi-conducteurs ont une bande interdite assez étroite. 10 Plan Chapitre 4: Introduction aux semi conducteurs et diodes à jonctions PN I. Généralités II. Semi-conducteur intrinsèque(pure) III. Semi conducteur extrinsèque (Dopé) 3.1 Semi Conducteur de type N 3.2 Semi Conducteur de type P IV. La jonction PN V. La diode à jonction PN VI. Diode Zener 11  Semi-conducteur intrinsèque (pure) Un semi conducteur intrinsèque est S.C. dépourvu de toute impureté susceptible de modifier la concentration de ses porteurs de charge. A la suite de la transition d’un électron de la BV à la BC, un électron libre est créé dans la BC et un trou est créé dans la BV (le trou est un état non occupé). ➔ Création de paires électrons - trous 12  Semi-conducteur intrinsèque (pure) ▪ Le bandgap Eg représente l’énergie minimale nécessaire pour rompre la liaison. ▪ Déplacement des e- libres →courant ▪ Le principe de conduction dans un S.C. peut se faire par deux mécanismes : ➔ Mouvement de trou dans la BV ➔ Mouvement d’électron dans la BC 13  Semi-conducteur intrinsèque (pure) Les électrons et les trous apparaissent et disparaissent par paire, il y a donc autant d’électron que de trous et par la suite la concentration en électron (n) est égale à la concentration en trous (p). ➔ Concentration intrinsèque des porteurs à l’équilibre thermodynamique : 3 − Eg ni = A0T exp( 2 ) 2 K BT Avec : A: Constante qui dépend du matériau [cm-3/K3/2] T: Température absolue [K] Eg: Largeur de la bande interdite [J] KB : Constante de Boltzman (K=1,38 10-23 JK-1) 14 Plan Chapitre 4: Introduction aux semi conducteurs et diodes à jonctions PN I. Généralités II. Semi-conducteur intrinsèque(pure) III. Semi conducteur extrinsèque (Dopé) 3.1 Semi Conducteur de type N 3.2 Semi Conducteur de type P IV. La jonction PN V. La diode à jonction PN VI. Diode Zener 15  Semi conducteur extrinsèque (Dopé) Etant donné que la conduction reste faible pour un S.C. intrinsèque, il sera intéressant d’augmenter le nombre de porteurs de charge par introduction d’impuretés (dopage). ▪ Impureté pentavalente : Atomes ayant 5 électrons sur la couche externe, ce sont des éléments donneurs d’électrons, (type N) : Antimoine (Sb) Z=51, Arsenic (As) Z=33, Phosphore (P) Z=15. ▪ Impureté trivalente : Atomes ayant 3 électrons sur la couche externe, ce sont des éléments accepteurs d’électrons, (type P) : Aluminium (Al) Z=13, Bore (B) Z=5, Gallium (Ga) Z=31. 16  Semi conducteur extrinsèque – Semi Conducteur de type N Obtenus par dopage = introduction d’atomes du groupe V (cf. classification périodique, 5e- sur la couche de valence) en lieu et place d’atomes de Si, généralement du phosphore P ou de l’arsenic As. ➔ libération d’un e- libre, les 4 autres se liant aux atomes de Si voisins (atome donneur). 17  Semi conducteur extrinsèque – Semi Conducteur de type N Obtenus par dopage = introduction d’atomes du groupe V (cf. classification périodique, 5e- sur la couche de valence) en lieu et place d’atomes de Si, généralement du phosphore P ou de l’arsenic As. ➔ libération d’un e- libre, les 4 autres se liant aux atomes de Si voisins (atome donneur) : Le cristal garde sa neutralité électrique globale (à chaque électron libre donné par les atomes d’impureté correspond un cation fixe). 18  Semi conducteur extrinsèque – Semi Conducteur de type P Obtenus par dopage = introduction d’atomes du groupe III (cf. classification périodique, 3 e- sur la couche de valence) en lieu et place d’atomes de Si, généralement du bore B ou du gallium Ga ou du aluminium Al. 19  Semi conducteur extrinsèque – Semi Conducteur de type P ➔ seules trois liaisons covalentes peuvent être créées, la 4ème reste incomplète, un trou est créé pour chaque atome de dopage. Il va pouvoir être comblé par un e- d’une liaison covalente proche (atome accepteur) ➔ Anion fixe 20 Plan Chapitre 4: Introduction aux semi conducteurs et diodes à jonctions PN I. Généralités II. Semi-conducteur intrinsèque(pure) III. Semi conducteur extrinsèque (Dopé) 3.1 Semi Conducteur de type N 3.2 Semi Conducteur de type P IV. La jonction PN V. La diode à jonction PN VI. Diode Zener 21  Université Abdelmalek Essaadi Faculté des Sciences et Techniques – Al Hoceima MIP – S2 Circuits Électroniques La diode Élaboré par: M. Nabil BENAYA 2023 - 2024  Introduction – Notion des semi-conducteurs On sait qu’un courant électrique est la grandeur algébrique correspondant à la circulation de porteurs de charges mobiles électriques (pcm) dans un conducteur. En particulier, un milieu est dit conducteur s’il existe des pcm (électrons, ions, etc.) susceptibles de se déplacer dans tout le milieu. Dans le cas contraire, le milieu est dit isolant. N.B: Deux types de pcm : * les électrons libres (charge q = - e) * les trous (charge q = +e).  Introduction – Notion des semi-conducteurs , Deux types des semi-conducteurs: Intrinsèques: Un semi-conducteur pur; ne comporte aucune impureté et son comportement électrique ne dépend que de la structure du matériau (semi- conducteur parfait). Extrinsèques: Matériaux dopé (dopé N ou dopé P). Le dopage augmente la densité des pcm à l’intérieur du matériau semi- conducteur. * Si on augmente la densité d’électrons, il s’agit d’un dopage de type N. * Si on augmente celle des trous, il s’agit d’un dopage de type P.  Introduction – Notion des semi-conducteurs , SC Germanium SC Silicium  Introduction – Notion des semi-conducteurs Monocristal de Sc 200Kg 200mm diamètre , 1422°C  Diode – Jonction PN Une jonction PN est créée par association d’un semi conducteur de type N et un autre de type P. La jonction est constituée par la zone frontière. Un semi-conducteur seul (N ou P) présente peu d’intérêt, c’est l’association de plusieurs SC dopés qui permet de créer les composants semi-conducteurs.  Diode – Jonction PN non polarisée ➔ Création d’un courant de diffusion : ▪ des trous mobiles du s.-c. P vers le s.-c. N, au moment de leur entrée dans la zone 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 entrée dans la zone P contenant des trous majoritaires les e- se recombinent avec les trous.  Diode – Jonction PN non polarisée Is : Courant de saturation , il ne dépend pas du champ électrique. Il est fixé par le nombre des porteurs minoritaires. ID : Courant de diffusion. Courant dû à la diffusion des porteurs majoritaires qui peuvent franchir la barrière de potentiel. E : Champ électrique équivalent à une différence de potentiel appelée b barrière de potentiel (V0 = 0,7 V pour le silicium, 0,3 V pour le germanium). Diode – Jonction PN non polarisée ➔ Courant de saturation (jonction PN à l’équilibre) : − eV0 I s = I 0 exp( ) KT  Diode – Jonction PN non polarisée Au voisinage de la jonction, les trous de la zone P vont neutraliser les électrons libres de la zone N (il y a diffusion des charges). Ce phénomène va s'arrêter quand le champ électrique Eint créé par les atomes donneurs ou accepteurs (qui vont devenir respectivement des charges + et -) va être suffisant pour contrarier le mouvement des charges mobiles.  Diode – Jonction PN non polarisée Constitution d’une barrière de potentiel pour les porteurs majoritaires. Par contre, cette barrière de potentiel va favoriser le passage des porteurs minoritaires. Les deux courants antagonistes (diffusion des majoritaires et conduction des minoritaires) s'équilibrent et leur somme est nulle en régime permanent et en l'absence de champ électrique extérieur.  Diode – Jonction PN polarisée en direct Générateur en direct La barrière de potentiel interne empêche toute circulation de courant. Application du champ externe (générateur externe en directe) annulation des effets du champ interne et permettre au courant de circuler : le phénomène d'attraction des électrons libres de la partie N par les trous de la partie P (diffusion) n'est plus contrarié, et le générateur va pouvoir injecter des électrons dans la zone N et les repomper par la zone P.  Diode – Jonction PN polarisée en inverse Générateur en inverse Si on branche le générateur dans le sens inverse du cas précédent, on renforce le champ électrique interne, et on empêche le passage des porteurs majoritaires : les électrons libres sont repoussés dans la zone N et les trous dans la zone P ; on accentue la séparation des charges (zone de déplétion).  Diode – Définition La diode est un dipôle passif non linéaire et polarisé, idéalement, il ne laisse circuler le courant électrique que dans un sens. Les diodes sont le plus “simple” des composants semi-conducteurs constituées d’une “jonction PN” (silicium, germanium... ) Symbole de la diode Diode – Définition Vd Id Monocristal du semi-conducteur (Silicium, germanium…), dont une partie est de type N et l’autre partie de type P (deux électrodes : l’Anode (A) et la Cathode (K)). Avec: où : - Is est le courant de saturation ; - q la charge de l'électron = 1,6 10-19C ; - k constante de Boltzman = 1,38 10-23 J/K; - T température absolue (en degré Kelvin). Diode – Polarisation direct En polarisation directe, la tension appliquée (VAK > 0 ) permet le passage d’un courant électrique de l’anode vers la cathode appelé courant direct. Diode passante Diode – Polarisation en inverse En polarisation inverse, la tension appliquée (VAK < 0 ) empêche le passage du courant. Le courant inverse est pratiquement nul. Diode bloquée  Diode – Caractéristique statique Cette caractéristique décrit l’évolution du courant traversant la diode en fonction de la tension à ses bornes en courant continu.  Diode – Modélisation statique La modélisation d’un composant consiste à remplacer la caractéristique électrique réelle i = f(u) par des segments de droites. A chaque segment de droite correspond un schéma électrique équivalent.  Diode – Modélisation statique Modélisation n°1 : diode « idéale » Dans ce cas, on néglige la tension de seuil et la résistance interne de la diode.  Diode – Modélisation statique Modélisation n°2 : diode avec seuil On peut continuer à négliger la résistance interne, mais tenir compte du seuil de la diode. La caractéristique devient :  Diode – Modélisation statique Modélisation n°3 : diode avec seuil et résistance Ici, on prend en compte la résistance de la diode. Ceci peut être utile si on utilise la diode en petits signaux alternatifs et qu'on a besoin de sa résistance dynamique.  Diode – Application Redressement mono alternance (simple alternance) Le redressement consiste à transformer une tension bidirectionnelle en une tension unidirectionnelle appelée tension redressée.  Diode – Application Redressement mono alternance (simple alternance) Hypothèse : On suppose que la diode est idéale. * Pendant l’alternance positive de la tension u ( u > 0 ), la diode D est polarisée en direct donc elle est passante i > 0 et ud = 0 donc uR = u – ud = u * Pendant l’alternance négative de la tension u ( u < 0 ), la diode D est polarisée en inverse donc elle est bloquée i = 0 et ud < 0 donc uR = 0.  Diode – Application Redressement mono alternance (simple alternance) Donc, on a gardé dans la résultante UR que les alternance positive, et on a supprimé celles négative. C’est le redressement simple alternance.  Diode – Application Redressement mono alternance (simple alternance) Hypothèse : On suppose toujours la diode est idéale. On obtient les mêmes résultats en utilisant un transformateur.  Diode – Application Redressement double alternance Avec transfo double enroulement ou transformateur à point milieu D1 D2 Un transformateur à point milieu délivre des tensions en opposition de phase en secondaire. Dans ce cas, tout se passe comme si on avait deux montages mono alternance qui fonctionnent l'un pour l'alternance positive, l'autre pour l'alternance négative.  Diode – Application Redressement double alternance D1 D2 Pendant l’alternance positive de u(t) : ▪ v1 est positive, D1 conduit donc uR = v1 =U/2 ▪ v2 est négative, D2 bloquée  Diode – Application Redressement double alternance D1 D2 Pendant l’alternance négative de u(t) : ▪ v2 est positive, D2 conduit donc uR = v2 = -U/2 ▪ v1 est négative, D1 bloquée Diode – Application Redressement double alternance  Diode – Application Redressement double alternance – pont de Graëtz Il existe une autre manière de faire du redressement double alternance, ne nécessitant pas un transformateur à double enroulement : on utilise 4 diodes montées en pont, dit « pont de Graëtz ». Lorsque la tension aux bornes du transformateur est positive, D1 et D4 conduisent, et quand elle est négative, D2 et D3 conduisent  Diode – Application Redressement double alternance – pont de Graëtz Pendant l’alternance positive de u(t) : ▪ u est positive, D1 et D4 conduisent donc uR = u ▪ D2 et D3 sont bloquées.  Diode – Application Redressement double alternance – pont de Graëtz Pendant l’alternance négative de u(t) : ▪ u est négative, D2 et D3 conduisent donc uR = -u ▪ D1 et D4 sont bloquées.  Diode – Application Redressement double alternance – pont de Graëtz Rq: Chaque diode n'a à supporter qu'une fois la tension crête du secondaire du transformateur (contre deux fois pour le montage précédent), mais en revanche, on a deux tensions directes de diode en série. La puissance totale dissipée dans les diodes est double par rapport à la solution précédente.  Université Abdelmalek Essaadi Faculté des Sciences et Techniques – Al Hoceima MIP – S2 Circuits Électroniques La diode Zener Élaboré par: M. Nabil BENAYA 2023 - 2024  Introduction Une diode Zener est un assemblage de deux semi-conducteurs dont les propriétés électriques ont été découvertes par le physicien américain Clarence Zener. Contrairement à une diode conventionnelle qui ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens, le sens direct, les diodes Zener sont conçues de façon à laisser également passer le courant inverse, mais ceci uniquement si la tension à ses bornes est plus élevée que le seuil de l'effet d'avalanche. Ce seuil en tension inverse (tension Zener) est de valeur déterminée pouvant aller de 1,2 V à plusieurs centaines de volts1. Certaines diodes Zener comportent une troisième broche qui permet de régler cet effet d'avalanche.  Diode Zener – Définition Une diode Zener est une diode spécialement conçue pour exploiter le claquage inverse, dont la tension de claquage est appelée tension Zener. A K Symbole de la diode Zener  Diode Zener – Caractéristique statique Cette caractéristique décrit l’évolution du courant traversant la diode en fonction de la tension à ses bornes en courant continu. Caractéristique d'une diode Zener idéale et schéma équivalent  Diode Zener – Caractéristique statique L'effet Zener concerne la caractéristique inverse de la diode. En direct, une diode Zener se comporte comme une diode normale. En inverse, on fait en sorte que par construction l'effet Zener et / ou d'avalanche se produise à une tension bien déterminée, et ne soit pas destructif. La caractéristique inverse présente alors l'allure d'un générateur de tension à très faible résistance interne (quasiment idéal ).  Diode Zener – Schéma équivalent Pour simplifier les calculs, et comme pour la diode, on va définir un schéma équivalent approchant la réalité. Caractéristique d'une diode Zener réelle et schéma équivalent.  Diode Zener – Schéma équivalent On définit une tension de coude Vzo, et une résistance interne constante Rz. La puissance dissipée dans une diode Zener est la somme du produit VZ ×iZ et du produit RZ ×iZ. Si on utilise le modèle idéal de la diode Zener, cette puissance vaut simplement : VZ ×iZ. Caractéristique d'une diode Zener réelle et schéma équivalent.  Diode Zener – Régulation de tension De par leurs caractéristiques de générateur de tension, les diodes Zener sont idéales pour réguler (stabiliser) des tensions continues ayant une ondulation résiduelle non négligeable (cas des tensions redressées filtrées). Régulation de tension avec diode Zener.  Diode Zener – Régulation de tension Il est nécessaire d'intercaler une résistance (ou un générateur de courant) entre le générateur de tension filtrée et la Zener de régulation : ces deux éléments ayant des caractéristiques de générateurs de tension à faible résistance interne, on ne peut pas les brancher directement l'un sur l'autre sans les détruire. Pour que la Zener fonctionne et assure son rôle de régulateur, il faut qu'un courant Iz non nul circule en permanence dans ce composant, et ce quelles que soient les variations de la tension d'entrée Vc et de la charge Ru.  Diode Zener – Régulation de tension La résistance R assure donc le rôle de polarisation de la Zener, et elle sera calculée pour que la condition énoncée ci-dessus soit remplie. Il faudra aussi veiller à ce que le courant Iz ne dépasse pas le courant Izm, sous peine de détruire le régulateur.