La diode est le composant à semi-conducteur le plus simple Son usage est répandu aussi bien en électronique analogique qu'en électronique de puissance I 5 1
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[PDF] Cours de Composants Électroniques
La diode est le composant à semi-conducteur le plus simple Son usage est répandu aussi bien en électronique analogique qu'en électronique de puissance I 5 1
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Composants passifs 2 1 Les Diodes Une diode est un dipôle (un bipède électronique), qui a un sens de branchement Elle existe sous plusieurs formes, avec
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électroniques actifs, y compris le capteur à effet Hall, sont regroupés dans l'ASIC central (Fig 2) Grâce à cette intégration, les tolérances des composants ainsi
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Les composants passifs 2 I Introduction Dans les modèles de circuit, on considère chaque composant électronique passif comme un composant parfait
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spatiales auxquelles sont soumis ces composants électroniques de puissance Les principaux types d'événements destructifs seront présentés, en expliquant
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de
Bourges
L'école de la
maîtrise des risquesINSTITUT NATIONAL
DES SCIENCES
APPLIQUÉES
CENTRE VAL DE LOIREINSA
Campus3
ÈMEANNÉEMAÎTRISE DESRISQUESINDUSTRIELLES
Support de Cours
de COMPOSANTSÉLECTRONIQUESDavid FOLIO7404
abcdefghNE555 A V V A I S linéaire diodes
WL"objet de se support de cours n"est pas de fournir le cours completcomposants électroniquesIl s"agit plutôt
d"un guide pour vous aider à suivre et comprendre le cours. Il vous appartient de le compléter et de l"enrichir
des différents éléments abordé en cours et en TD.Année Universitaire : 2017-201815Chap. I : Technologies des composantsI
d V dv 1 v 2 i 1 i 2 r diff <0Fig. I.6 - Caractéristique électrique de la diode à effet tunnel.Diodes en commutations
Le temps de réponse fini de la diode s"observe aussi en "mode impulsionnel", lorsque la diode bascule
d"un état passant vers un état bloqué et vice-versa. V d I d R U g +U g Ug V 0t V 0 V d V R t tI d temps de réponse I f -U g t s I r t rLe temps de réponse dépend du courant avant commutation.Ordre de grandeur : ps - ns
Diode bloquée
Lorsqu"une jonction est polarisée en inverse, un courant inverse très faibleIrcircule à travers cette
jonction. Ce courant est dû au déplacement des porteurs minoritaires et la zone de charge d"espace se
comporte dans ce cas comme une zone de déplétion dépourvue de charges mobiles puisque le nombre
volumique de ces derniers peut être considéré comme négligeable devant le nombre volumique des
charges fixes. On peut donc assimiler cette zone de déplétion à un condensateur dont les armatures
porteraient les charges positives et les charges négatives.L"expression de la capacité de transitionCTsera donnée par la formule applicable dans le cas d"un
condensateur plan dont les armatures de surfacesSsont séparées par une épaisseure. Puisque la
largeurede la zone de charge d"espace varie en fonction de la tension appliquée à la jonctionVr, la
capacité de transition varie également en fonction de cette tension selon la relation : C T=Se 01 1VrV 0 m C T0=Se0est la capacité de transition à l"équilibre (Vr= 0);e0est la largeur de la zone de déplétion
à l"équilibre; etmest un paramètre compris entre 0.5 (cas d"une jonction abrupte) et 0.3 (cas d"une
jonction progressive linéaire ou graduelle).©Année Universitaire : 2017-2018,David FOLIO
I.5 Les diodes16Diode polarisée en direct
Si on polarise la diode en direct en appliquant une tensionVd=Vf, un courantId=Ifcircule de lazone P vers la zone N. Ce courant est dû à la diffusion des p.c.m.. Or la migration ne s"effectue pas
instantanément et on peut considérer que les p.c.m. qui sont devenues des minoritaires, forment une
charge stockéeQSqu"on peut estimer en connaissant leur durée de vie moyenne. L"accroissement de charge dans la jonction revient à introduire un effet capacitif dit de diffusion :CD: C D=IfPuisqueCDest souvent très supérieure àCT, on peut légitimement supposer que la charge est stockée
dansCD; elle peut être estimée : Q s=If3A MRI, Comp&ElectChapitre II
LESTRANSISTORSGénéralité
Le transistor est un composant clé de l"électronique. Le terme transistor provient de l"anglaistransfer
resistor(résistance de transfert). En particulier, le transistor est un composant électronique actifnon-linéaireutilisé : •comme interrupteur dans les circuits logiques (essentiel pour l"électronique numérique); •comme amplificateur de signal; •pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations. Les transistors sont des semi-conducteurs avec trois bornes. Il existe sous différentes formes : •soit comme composant discret; •soit sous forme de circuit intégré (CI),•soit faisant partie d"un circuit plus complexe, allant de quelques unités (eg., AOP) à quelques
millions de transistors par circuit (eg., microprocesseurs) Ils servent à l'amplification ou à la commutation de signaux.On distingue deux grandes familles de transistor
1. les transistors bipolaire à jonction(BJT); 2. les transistors à effet de champs(FET), répartis eux-mêmes dans plusieurs types (JFET,MOSFET, etc.).
Ils agissent (en 1
èreapprox.) comme une source de courant commandé •transistor bipolaire : commandé par un courant •transistor à effet de champ : commandé par une tension17 II.1 Les transistors bipolaires (rappels)18II.1 Les transistors bipolaires (rappels)Transistor Bipolaire
=Deux jonctions PN en tête-bêche qui se partagent la région centrale ,!Composantactif non-linéaireà 3 bornesStructure simplifiée
Le transistor bipolaire ou BJT. (Bipolar Junc-
tion Transistor), ou encore transistor bijonc- tion, est un semi-conducteur présentant troiszones dopées N, P et N, ou P, N et P.La zone du milieu, mince, constitue laBase. Les deux extrémités, aux géométries et aux dopages
différents, constituent l"Émetteuret leCollecteur. Les trois zones ainsi dopées forment deux
jonctions : la jonction base-émetteur (BE) dite jonction de commande, et la jonction base-collecteur
(BC).Lecaractère actifdu BJT découle de l"effet transistor, qui se manifeste dans le régime de mode actif
normal pour lequel la jonction BE est polarisée en direct et la jonction BC est polarisée en inverse.
Le courant inverse de la jonction BC (courant de collecteur) est alors contrôlé par l"état électrique de
la jonction BE.Dans la suite du cours on privilégiera les transistors NPN, qui sont les plus utilisés que les transistors
PNP. Ceci est essentiellement dû au fait que le courant principal est un courant d"électrons. Ils seront
donc "plus rapides", c"est-à-dire qu"ils possèderont des fréquences de travail plus élevées. Toutefois, on
pourra transposer parsymétrieles résultats obtenus pour un NPN aux PNP. RemarqueII.1.Le fonctionnement du transistor PNP en mode actif normal est similaire à celui d"unNPN, si ce n"est que les rôles des régions P et N, ainsi que les rôles des électrons et des trous, sont
intervertis. Cela implique en particulier que les courants et les différences de potentiel aux bornes des
jonctions changent de signe.La principale différence significative entre les PNP et NPN résident dans l"inversion des courants.
RemarqueII.2 (Bipolaire?).Le terme bipolaire signifie que les courants du composant sont véhiculées
par les deux types de p.c.m. : les électrons et les trous.Il faut bien garder à l"esprit qu"un transistor bipolaire est bien plus que deux diodes montées tête-
bêche : il y a la présence d"un courant allant directement de l"émetteur vers le collecteur : c"est le
courant principal lié a l"effet transistor!Les lois de Kirchhoff sont respectés, soit : IE=IB+IC
V CE=VBC+VBEFig. II.1 - Symboles & Conventions des transistors bipolaires.II.1.1 Mode de fonctionnement
Tout comme pour les diodes, pour étudier convenablement un circuit électronique comprenant des BJT, il est nécessaire de déterminer dans quel mode de fonctionnement ils se trouvent. Ils"agit ainsi de déterminer les grandeurs électriques du transistor, soit l"ensemble des 6 grandeurs :3A MRI, Comp&Elect
19Chap. II : Les Transistors(IE;IB;IC;VBE;VCE;VBC)Qau point de fonctionnementQ. Pour cela, on sait que le point de
fonctionnementQest déterminé par les caractéristiques électrique du transistor et par les lois de
Kirchhoff appliquées au transistor intégré dans le circuit (ie. imposée par le circuit externe au
transistor). Ainsi les lois de Kirchhoff permettent d"établir en configuration EC :•le point de fonctionnement sur la caractéristique d"entrée, et ainsi l"équationIB=fa(VBE)
correspondant à ladroite d"attaque•le point de fonctionnement sur la caractéristique de sortie, et ainsi l"équationIC=fc(VCE)
correspondant à ladroite de chargeLe point de fonctionnement d"un transistor bipolaire est constitué de6 grandeurs électriques:
(IE;IB;IC;VBE;VCE;VBC)QLa recherche du point de fonctionnement peut se faire selon différentes méthodes :
1.Méthode analytique: Elle s"effectue en déterminant les droites d"attaque et de charge du
transistor intégré dans le circuit (ie. imposée par le circuit externe au transistor). Puis selon les
connaissances de l"état du transistor ou d"hypothèse, on peut caractériser les valeurs typique de
VBEet deIC.
IB=fa(VBE)(droite d"attaque)
VBE0:6VIC=IB
IC=fc(VCE)(droite de charge)
,!Il faut identifier le régime du BJT : normal, bloqué ou saturé pour déterminer les hypothèses
adéquates. Sinon prendre des hypothèses, et vérifier la cohérence des résultats.2.Méthode graphique: Il s"agit déterminer le point de fonctionnement du transistor à partir de
son réseau de caractéristique (qui décrit son comportement intrinsèque) et connaissant les droites
d"attaque et de charge du transistor intégré dans le circuit. Le point de fonctionnement est alors
situé aux intersections de ces différentes courbes.f a f c V CE V BE I B I CFig. II.2 - Recherche du point de fonctionnement par la méthode graphique.Année Universitaire : 2017-2018,David FOLIO
II.1 Les transistors bipolaires (rappels)20L"inconvénient de cette méthode, c"est qu"il faut disposer du réseau de caractéristique du transistor.
Or les paramètres de ces caractéristiques varient sensiblement d"un transistor à un autre du fait
de la dispersion de fabrications des transistors et de la température.,!Connaissant le point de fonctionnement on peut alors conclure sur le régime de fonctionnement du
transistor.II.1.2 Modèles petits signaux
Lorsque lesignal d"entrée est de faible amplitude, le comportement électrique du montage peut-être
décrit par un schéma électrique linéaire équivalent, appeléschéma équivalent petit-signal. Ainsi
un faible signal se caractérise par :jvaj VAetjiaj IAModèle dynamique petit signaux
1èreapproximationi
c'Qib=hfeibEn tenant compte de l"effet d"Earlyi c'hfeib+vcer ce ,!gm: transconductanceLe modèle dynamique ne dépend pas du type (NPN ouPNP) du transistor!
La seule différence réside dans le sens de circulation des courants!Paramètres dynamiques du BJT h ie: impédance d"entrée du transistor en EC : h ie=@vbe@i b QVTI Q B h oe: admittance de sortie du transistor en EC h oe=@ic@v ce QIQ CV Ah fe: gain en courant dynamique h fe=@ic@i b Q=IQ CI Q B h re: coefficient de réaction de la sortie sur l"entrée h re=@vbe@v ce Q ,!Transconductance :gmIQ CVT=hfeh
ie3A MRI, Comp&Elect21Chap. II : Les TransistorsLe transistor peut ainsi être vue comme un "quadripôle", soit en configuration EC :
vbe i c =hiehre h fehoe ib v cer be,hfe,rceforment l"ensemble des paramètres internes du transistor. Ils sont donc sujet à une grande disparité.Modèles hautes fréquencesModèles hautes fréquences
Aux fréquences élevées on ne peut pas négliger lescapacités internesdes jonctions BE et BC.
En mode actif :
•la jonction BE introduit une capacité dediffusionCd•la jonction BC introduit une capacité detransitionCt,!Ces capacités influencent le fonctionnement du transistor aux fréquences élevées et sont responsable
d"unebande passante limitéedes amplificateurs à transistor bipolaire.©Année Universitaire : 2017-2018,David FOLIO
II.1 Les transistors bipolaires (rappels)22II.1.3 Notions d"Amplifications (rappel)L"amplificateur a pour fonction d""amplifier" la puissance dusignal, soit :Pa> Pin+PuLe signalXpeut être une tensionv(t)ou un couranti(t).
•amplification en tension :vout(t) =Gvin(t) •amplification en courant :iout(t) =Kiin(t),!L"amplification concerne essentiellement les signaux alternatifs.Tout amplificateur estalimentépar une source d"énergie (eg.,Vcc)
,!L"amplificateur ne créé pas de puissance ou d"énergie...Si l"on considère que l"alimentation d"un amplificateur est indépendante du signal d"entrée et de
sortie de l"amplificateur, on peut représenter cet amplificateur par un quadripôle. Le formalisme des
quadripôles permet d"obtenir une relation matricielle entre les courants et les tensions d"entrée et de
sortie (cf. cours P2 "circuit analogique").Schéma équivalent d"un amplificateur
L"entrée de l"amplificateur est caractérisée par sonimpédance d"entréeZin=vini in La sortie agit comme une source de tensionvout(ou de courantiout) caractérisée par son impédance de sortieZout ,!Zout=impédanceéquivalentedu modèle de Thévenin du dipôle vu de la chargeZL L"amplification est caractérisée par son gain, soit :Gain en tension
•Gain en circuit ouvert :G=Av0=voutv in ZL=1 •Gain sur charge :AvL=voutv in ZL •Gain composite :AvC=voutv gGain en courant :Ai=iouti
in3A MRI, Comp&Elect23Chap. II : Les TransistorsGain en puissance :Ap=voutioutv
iniin On rappel que les gains sont généralement exprimé en décibel (dB), définit par : A dBv= 20log10(Av);etAdBi= 20log10(Ai);tandis queAdBp= 10log10(Ap)L"amplificateur "idéale"
Gainimportant, indépendants de l"amplitude et de la fréquence (ie., forme) du signal d"entrée
Impédance d"entrée :ZinZg
Impédance de sortie :ZoutZL
La réalité...
Domaine de linéarité: distorsion du signal pour des amplitudes trop élevées •Non linéarité des caractéristiques électriques des composants •La tension de sortie ne peut dépasser les tensions d"alimentation Bande passante limitée: eg., le gain est fonction de la fréquence du signal •Capacités internes des composants ou de liaison •Impédances d"entrée et de sortie dépendent de la fréquenceClassifications des Amplificateurs
Classification par plage de fréquences
,!Exemple : continuef= 0Hz, audio B=[20;20k]Hz, bande étroite, bande large, etc...Classification par fonction
,!Exemple : amplificateurs linéaires, amplificateursdifférentiels, amplificateurs audio ou vidéo,
etc...Classification par type de montage
,!eg., les étages amplificateurs à transistors (rappels) :Amplificateur EC ou SC
,!GainjAvj 1, ImpédancesZinpas très élevé etZoutnon négligeableAmplificateur CC ou DC
,!GainAv1, ImpédancesZinélevé etZoutfaibleAmplificateur BC ou GC
,!GainAvpas très élevé, ImpédancesZinfaible etZoutnon négligeable©Année Universitaire : 2017-2018,David FOLIO
II.1 Les transistors bipolaires (rappels)24Classification par classe : Classe A : la totalité du signal d"entrée est utilisée (100%) Classe B : la moitié du signal d"entrée est utilisée (50%) ,!La puissance est partagée entre 2 transistors : chacun amplifie une alternanceClasse C : moins de la moitié du signal d"entrée est utilisée (<50%)Exemple d"amplification de classe B
,!Étagepush-pullExemple de montage amplificateur
3A MRI, Comp&Elect
25Chap. II : Les TransistorsII.2 Les transistors à effet de champs
Un Transistor à Effet de Champ (TEC) ouField Effect Transistor(FET) est un composant semicon-ducteur de la famille des transistors. Il s"agit donc d"un composant actif non-linéaire à trois bornes,
notées Source (S), Grille (G) et Drain (D).Un FET est un transistorunipolaire: son fonctionnement est basé sur l"action d"un champ électrique
sur un "canal" composé d"un seul type de porteurs de charges mobiles(p.c.m.). Ce canal estun semi-conducteur avec un excédent d"électrons (dopage de type N), ou de trous (dopage de type P).
La présence d"un champ électrique peut autoriser la conduction électrique dans ce canal (transistor à
enrichissement, ouenhancement) ou la réduire (transistor à appauvrissement, oudepletion).Il concurrence le transistor bipolaire dans de nombreux domaines d"applications, tels que l"électronique
numérique. Il en existe une grande variété, dont notamment :•les JFET (Jonction Field Effect Transistor), dans lesquels la tension de grille contrôle l"extension
de la région de déplétion d"une jonction PN; •les MESFET (MEtal Semi-conductor FET) : dans lesquels la jonction PN est remplacée par une jonction métal-semiconducteur; •les MOSFET (Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor), dans lesquels la grille est séparée du sem-iconducteur par un oxyde, jouant le rôle d"un isolant; •les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) : transistor bipolaire à grille isolée •MODFET (Modulation-Doped FET), CNFET (Carbon Nanotube FET), ChemFET (ChemicalFET), etc.
II.2.1 Principe de base
Caractéristiques de basesV
DSZone dedéplétion
V GSCanal N
N N DrainGrille
(Porte ou Gate)Grille (Bulk ou Gate)
P P I D I S I GSource
IsolantLe courantIDcircule duDrain vers laSource via lecanalNLa conductivité électrique du canal semi-conducteur est modulée par la différence de potentiel
canal/grille •ÀVDSconstant,IDestcommandépar la tensionVGS •Effet du champs électrique : la chute de tension le long du canal (induite parID) modifie localement la d.d.p. canal/grille Le courant circulant dans la grille (IG) est négligeable©