3.Cours Électronique Générale 1

Electronique Générale Générale

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SOMMAIRE LISTE DES FIGURES..................................... FIGURES............................................................ .............................................. .............................................. ....................................4 .............4 CHAPITRE 1 : NOTIONS ELEMENTAIRES SUR LA PHYSIQUE DES SEMICONDUCTEURS ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ....................................6 .............6 I-

Introduction .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ....................................6 .............6

II- Conducteurs, isolants et semi-conducteur .............................................. ..................................................................... ....................................6 .............6 1) Les conducteurs........................ conducteurs............................................... .............................................. .............................................. .............................................. .........................6 ..6 2) Les isolants .............................................. ..................................................................... .............................................. ............................................... .................................6 .........6 3) Les semi-conducteurs ............................................. .................................................................... .............................................. ........................................7 .................7 III- Les semi-conducteurs .............................................. ..................................................................... .............................................. ............................................7 .....................7 1) Structure atomique .............................................. ..................................................................... .............................................. ............................................7 .....................7 2) Structure cristalline ............................................. .................................................................... .............................................. ............................................7 .....................7 3) Influence de la température ............................................ ................................................................... .............................................. .................................8 ..........8 4) Niveau et bande d’énergie....................... d’énergie.............................................. .............................................. .............................................. .................................8 ..........8 5) Recombinaison électron-trou ............................................. .................................................................... .............................................. .............................9 ......9 IV- Dopage des semi conducteur conducteur....................... .............................................. .............................................. .............................................. ...............................10 ........10 1) Semi-conducteur intrinsèque....................... intrinsèque.............................................. .............................................. .............................................. ...........................10 ....10 2) Semi-conducteur extrinsèque : dopage .............................................. ..................................................................... ..................................11 ...........11 2.1) Semi-conducteurs de type N .............................................. ..................................................................... ..........................................11 ...................11 2.2) Semi-conducteurs de type p ........................................... .................................................................. .............................................. .......................11 11 V- Jonction PN .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ..................................12 ...........12 1) Jonction PN non polarisée....................... polarisée.............................................. .............................................. .............................................. ...............................12 ........12 2) Jonction PN polarisée.............................................. polarisée..................................................................... .............................................. ......................................13 ...............13 2.1) Polarisation directe .............................................. ..................................................................... .............................................. ..................................13 ...........13 2.2) Polarisation inverse ............................................. .................................................................... .............................................. ..................................14 ...........14 CHAPITRE 2 : LES DIODES ................................................ ....................................................................... .............................................. ..................................15 ...........15 I-

Introduction .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ..................................15 ...........15

II- Diodes à jonction ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ...........................15 ....15 1) Généralité sur les diodes ............................................. .................................................................... .............................................. ..................................15 ...........15 2) Caractéristique courant/tension .............................................. ..................................................................... .............................................. .......................15 15 2.1) Caractéristique directe............................................ ................................................................... .............................................. ...............................16 ........16 2.2) Caractéristique inverse ........................................... .................................................................. .............................................. ...............................17 ........17 2.3) Caractéristique globale ........................................... .................................................................. .............................................. ...............................18 ........18 3) Point de fonctionnement ............................................. .................................................................... .............................................. ..................................19 ...........19 4) Approximations de la diode ........................................... .................................................................. .............................................. ...............................20 ........20 4.1) Première Approximation : diode idéale ............................................ ................................................................... ...........................20 ....20 4.2) Deuxième approximation ........................................... .................................................................. .............................................. ...........................20 ....20 4.3) Troisième approximation ........................................... .................................................................. .............................................. ...........................21 ....21 III- Applications des diodes .............................................. ..................................................................... .............................................. ......................................22 ...............22 1) Redressement du courant alternatif ............................................ ................................................................... ..........................................22 ...................22 1.1) Redressement simple alternance ............................................ ................................................................... ......................................22 ...............22 _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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1.2) Redressement double alternance ............................................ ................................................................... ......................................23 ...............23 2) Détecteur de crête............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. .......................24 24 3) Détecteur d’enveloppe ............................................ ................................................................... .............................................. ......................................24 ...............24 IV- Les diodes spéciales spécial es ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. .......................25 25 1) Diodes Zener ........................................... .................................................................. ............................................... ............................................... ..............................25 .......25 1.1) Symbole .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ...........................25 ....25 1.2) Principe de fonctionnement ........................................... .................................................................. .............................................. .......................25 25 1.3) Caractéristique d'une diode Zener .............................................. ..................................................................... ..................................25 ...........25 1.4) Stabilisation de tension .............................................. ..................................................................... .............................................. ...........................26 ....26 2) Diodes Schottky .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................26 26 3) Diode électroluminescente (LED) ............................................. .................................................................... ..........................................27 ...................27 4) Photodiode .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ...............................27 ........27 5) Diodes Varicaps .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................27 27 TRAVAUX DIRIGES ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ...........................28 ....28 CHAPITRE 3 : LE TRANSISTOR BIPOLAIRE EN REGIME STATIQUE ................................31 ................................31 I-

Généralités ............................................... ...................................................................... .............................................. .............................................. ..................................31 ...........31 1) Historique ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. ..................................31 ...........31 2) Structure ............................................... ...................................................................... .............................................. .............................................. ..................................31 ...........31 1) Transistor NPN ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. ...........................32 ....32 2) Transistor PNP ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ...........................33 ....33

III- Le transistor comme une source de courant commandée ............................................. ........................................................33 ...........33 1) Le gain statique en courant ............................................ ................................................................... .............................................. ...............................33 ........33 2) Les montages de type Darlington............................................... Darlington...................................................................... ..........................................34 ...................34 IV- Réseau de caractéristique du transistor monté en Emetteur commun ......................................34 ......................................34 V- Droite de charge et point de fonctionnement ............................................ ................................................................... ...............................35 ........35 VI- Le transistor en régime r égime de commutation ............................................ ................................................................... ......................................37 ...............37 VII1) 2)

Les circuits de polarisation ............................................ ................................................................... .............................................. ...............................38 ........38 Facteur de stabilité thermique ............................................ ................................................................... .............................................. ...........................38 ....38 Polarisation par résistance de base ............................................. .................................................................... ..........................................39 ...................39 2.1) Montage .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ...........................39 ....39 2.2) Equations caractéristiques .............................................. ..................................................................... .............................................. .......................39 39 2.3) Facteur de stabilité thermique ............................................ ................................................................... ..........................................40 ...................40 2.4) Conclusion .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................40 40 2.5) Application .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................40 40 3) Polarisation par pont diviseur de tension .............................................. ..................................................................... ...............................41 ........41 3.1) Montage .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ...........................41 ....41 3.2) Equations caractéristiques .............................................. ..................................................................... .............................................. .......................41 41 3.3) Conclusion .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................42 42 3.4) Application .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................42 42 4) Polarisation par réaction de collecteur .............................................. ..................................................................... ...................................43 ............43 4.1) Montage .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ...........................43 ....43 4.2) Equations caractéristiques .............................................. ..................................................................... .............................................. .......................43 43 4.3) Principe ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. ...............................44 ........44 4.4) Conclusion .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................44 44

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Polarisation par diode.............................................. diode..................................................................... .............................................. ......................................44 ...............44 5.1) Montage .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ...........................44 ....44 5.2) Principe de miroir électronique .............................................. ..................................................................... ......................................44 ...............44 5.3) Conclusion .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................45 45

TRAVAUX DIRIGES ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ...........................46 ....46 CHAPITRE 4 : LE TRANSISTOR BIPOLAIRE EN REGIME DYNAMIQUE ...........................48 ...........................48 I-

Introduction .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ..................................48 ...........48

II- Modèles équivalents du du transistor.............................................. ..................................................................... .............................................. .......................49 49 1) Les paramètres caractéristiques ............................................. .................................................................... .............................................. .......................49 49 2) Les paramètres hybrides hybrides.............................................. ..................................................................... .............................................. ..................................49 ...........49 3) Modèles équivalents du transistor .............................................. ..................................................................... ..........................................50 ...................50 III- Les trois montages fondamentaux......................................... fondamentaux................................................................ .............................................. ...........................51 ....51 1) Méthode générale du régime dynamique dynamique .............................................. ..................................................................... ...............................51 ........51 2) Montage émetteur commune polarisé par par diviseur de tension............................................. .............................................51 51 3) Montage base commune.......................................... commune................................................................. .............................................. ......................................53 ...............53 3.1) Montage sans capacité de découplage .............................................. ..................................................................... ...........................53 ....53 3.2) Montage avec capacité de découplage .............................................. ..................................................................... ...........................55 ....55 4) Montage collecteur commun.............................................. ..................................................................... .............................................. ...........................56 ....56 4.1) Montage en régime statique ........................................... .................................................................. .............................................. .......................56 56 4.2) Circuit équivalent en régime dynamique .............................................. ..................................................................... .......................57 57 TRAVAUX DIRIGES ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ...........................61 ....61 CHAPITRE 5 : LES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP ............................................ .......................................................63 ...........63 I-

Présentation ............................................. ..................................................................... ............................................... .............................................. ..................................63 ...........63

II- Transistor JFET ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. ...............................63 ........63 1) JFET de type canal N .............................................. ..................................................................... .............................................. ......................................63 ...............63 2) JFET de type canal P........................................... .................................................................. .............................................. ..........................................64 ...................64 3) Principe de fonctionnement ........................................... .................................................................. .............................................. ...............................64 ........64 3.1) En absence de tension VGS ........................................... .................................................................. .............................................. .......................64 64 3.2) En présence d’une tension VGS .............................................. ..................................................................... ......................................65 ...............65 3.3) Le phénomène d’avalanche ........................................... .................................................................. .............................................. .......................66 66 III- Transistor M.O.S ............................................. .................................................................... .............................................. .............................................. ...........................67 ....67 1) Les transistors M.O.S M.O.S à enrichissement ............................................. .................................................................... ..................................68 ...........68 2) Les transistors M.O.S M.O.S à appauvrissement ............................................. .................................................................... ...............................68 ........68 3) Les transistors M.O.S M.O.S à enrichissement et appauvrissement ........................................... ...............................................69 ....69 IV- Symboles des transistors JFET et M.O.S ........................................... .................................................................. ......................................69 ...............69 TRAVAUX DIRIGES ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ...........................71 ....71 BIBLIOGRAPHIES............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. ...............................73 ........73

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Liste des figures Figure 1 : Structure atomique d'un semi-conducteur intrinsèque ......................................................7 Figure 2 : Structure cristalline d'un cristal de Silicium ......................................................................8 Figure 3 : Répartitions des électrons sur les niveaux d'énergie d'un atome de Silicium ...................8 Figure 4 : Bandes énergétiques d'un Semi- conducteur a) à 0°K b) à 30°K .....................................9 Figure 5 : Génération électron -trou a) apparition d'un électron libre b) apparition d'un trou libre 10 Figure 6 : Structure cristalline d'un SC dopé N ...............................................................................11 Figure 7 : Structure cristalline d'un SC dopé P ................................................................................12 Figure 8 : Phénomènes produits lors de la mise en contact de deux jonctions N et P .....................12 Figure 9 : La ddp V 0 et le champ Ei associé la Zone de charge d'espace ........................................13 Figure 10 : Jonction PN polarisée en directe ...................................................................................13 Figure 11 : Jonction PN polarisé en inverse. ..................................................................................14 Figure 12 : La diode à jonction : schéma de principe ......................................................................15 Figure 13 : Polarisation directe d'une diode à jonction ....................................................................16 Figure 14 : Caractéristique directe ID=f(UD) d'une diode ................................................................16 Figure 15 : Polarisation inverse d'une diode à jonction ...................................................................17 Figure 16 : Caractéristique inverse IR=f(UR) d'une diode ................................................................18 Figure 17 : Caractéristique Id=f(Ud) d'une diode .............................................................................19 Figure 18 : Droite de charge et point de fonctionnement a) montage b) circuit équivalent c) caractéristique Id= f (Ud) ..............................................................................................................19 Figure 19 : Caractéristique d'une diode idéale. ................................................................................20 Figure 20 : La 2 ère approximation de la diode ..................................................................................21 Figure 21 : La 3ème approximation de la diode................................................................................22 Figure 22 : Montage d'une diode utilisée pour le redressement. .....................................................23 Figure 23 : Tensions d'entrée et de sortie d'une diode redresseuse simple alternance ...................23 Figure 24 : Montage d'un redressement double alternance (a) à 2 diodes, (b) à pont de diode ....23 Figure 25 : Tensions d'entrée et de sortie d'une diode redresseuse double alternance ....................24 Figure 26 : Montage détecteur de crête ............................................................................................24 Figure 27: Tensions d'entrée et de sortie d'un ..................................................................................24 Figure 28 : Montage d’un détecteur d’enveloppe ............................................................................24 Figure 29 : Tensions d'entrée et de sortie d'un détecteur d’enveloppe ............................................25 Figure 30 : Quelques symboles de la diode Zener ...........................................................................25 Figure 31: Caractéristique d'une diode Zener ..................................................................................26 Figure 32 : Utilisation d'une diode Zener pour la stabilisation de tension .......................................26 Figure 33: Symbole d'une diode Schottky .......................................................................................27 Figure 34 : Symbole d'une diode LED.............................................................................................27 Figure 35 : Symbole d'une photodiode ............................................................................................27 Figure 36 : Symbole d'une diode Varicaps ......................................................................................27 Figure 37 : Transistor bipolaire NPN...............................................................................................31 Figure 38 : Transistor bipolaire PNP ...............................................................................................31 Figure 39 : Polarisation d'un transistor NPN ...................................................................................32 Figure 40 : Polarisation d'un transistor PNP ....................................................................................33 Figure 41 : Montage de type Darlington ..........................................................................................34 Figure 42 : Grandeurs physiques d'un transistor ..............................................................................34 Figure 43 : Réseau de caractéristiques du transistor ........................................................................35 _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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Figure 44 : Circuit de polarisation par résistance de base ................................................................36 Figure 45 : Droite de charge, droite d'attaque statique et point de fonctionnement d'un transistor .37 Figure 46 : Zone de fonctionnement linéaire. ..................................................................................38 Figure 47 : Influence de température sur le point de fonctionnement. ............................................39 Figure 48 : Montage polarisation par résistance de base a) NPN, b) PNP ......................................39 Figure 49 : Diviseur de tension .......................................................................................................41 Figure 50 : Polarisation par diviseur de tension : a) transistor NPN, b) transistor PNP .................41 Figure 51 : Polarisation par pont diviseur ........................................................................................41 Figure 52 : Polarisation par réaction du collecteur : a) transistor NPN, b) transistor PNP..............43 Figure 53 : Polarisation par réaction du collecteur .........................................................................43 Figure 54 : Miroir électrique a) NPN, b) PNP, c) Complément ......................................................44 Figure 55 : Miroir électrique ............................................................................................................45 Figure 56 : Montage Amplificateur à base du transistor NPN. ........................................................48 Figure 57 : Montage Base ................................................................................................................49 Figure 58 : Montage Emetteur commun ..........................................................................................49 Figure 59 : Montage Collecteur commun ........................................................................................49 Figure 60 : Emetteur commun (a)montage, (b) schéma équivalent .................................................50 Figure 61 : Base commune (a)montage, (b) schéma équivalent .....................................................50 Figure 62 : Collecteur commun (a)montage, (b) schéma équivalent ...............................................50 Figure 63 : Montage émetteur commun. .........................................................................................51 Figure 64 : Circuit équivalent en régime dynamique d’un montage émetteur commun..................52 Figure 65 : Montage base commune sans capacité de découplage ..................................................53 Figure 66 : Circuit équivalent en régime dynamique.......................................................................54 Figure 67 : Montage base commune avec capacité de découplage..................................................55 Figure 68 : Circuit équivalent en régime dynamique.......................................................................55 Figure 69 : Montage collecteur commun en régime statique ...........................................................57 Figure 70 : Circuit équivalent collecteur commun en régime dynamique .......................................57 Figure 71 : Circuit équivalent en régime dynamique, collecteur commun, application de théorème de Thévenin pour le calcul de l'impédance de sortie ......................................................................59 Figure 72 : Montage Thévenin équivalent de la figure ci-dessus. ...................................................59 Figure 73 : JFET de type canal N ...................................................................................................63 Figure 74 : JFET de type canal P .....................................................................................................64 Figure 75 : Courbe I D=f(VDS) à VGS=0 ............................................................................................65 Figure 76 : Courbe I D=f(VDS) en présence d’un V GS. ......................................................................66 Figure 77 : Pincement du canal ........................................................................................................67 Figure 78 : La couche de Métal+Oxyde entre la grille et le canal d’un transistor MOS. ...............67 Figure 79 : Structure d’un transistor MOS à enrichissement de type N ..........................................68 Figure 80 : Structure d’un transistor MOS à appauvrissement de type N .......................................68 Figure 81 : Caractéristique d’un transistor M.O.S à enrichissement ET appauvrissement ............69 Figure 82 : Symboles des différents types de transistor à effet du champ .......................................70

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Chapitre 1 : Notions élémentaires sur la physique des semi-conducteurs I- Introduction Cette section a pour objectif de donner des modèles simples et de définir la différence entre les matériaux conducteurs, isolants et semi-conducteur de point de vue structure cristalline. Puis nous allons nous intéresser essentiellement aux semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques (de type p et n). La connaissance de ces modèles permet, par le comportement des dispositifs à semi-conducteurs

la suite, d’étudier

tels que la diode, le transistor bipolaire,

le transistor à effet de champ, etc.

II- Conducteurs, isolants et semi-conducteur On

rencontre en électronique

trois grandes

familles de matériaux qui sont : les

conducteurs, les isolants et les semi-conducteurs. 1)

Les conducteurs

Ils sont caractérisés par une résistivité très faible (ρ<10-6 Ω.cm) et un nombre très élevé d’électrons libres. En fait un métal est conducteur si l’atome porte des électrons sur la couche de valence. Lorsqu’on soumet un conducteur à une ddp, il y a un déplacement des électrons et par la suite le passage du courant électrique. Exemple des conducteurs : l’or, l’argent, le Nickel et le cuivre… •

Influence de la température :

Lorsque la température augmente, les électrons libres, dont le nombre est élevé, sont excités, se poussent dans un mouvement aléatoire. →La résistivité augmente. 2)

Les isolants

Ils ont une résistivité très élevée (entre 109 Ω et 1019 Ω) à cause du nombre très faible des électrons libres. Les atomes sont liées entre elles par une liaison de covalence tellement rigide, qu’il faudra une énergie considérable pou les ioniser (de l’ordre de 7ev). Exemple des isolants : l’air, le bois, le verre… _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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Influence de la température :

•

Contrairement

aux

conducteurs, La

résistivité diminue.

En

fait, quand la température

augmente, le nombre d’électrons augmente, mais il reste toujours inférieur à un conducteur normal. 3)

Les semi-conducteurs

Ce sont des matériaux dont la conductivité, intermédiaire entre celles des isolants et des conducteurs, varie sur plusieurs ordres de grandeur sous l'effet de : la température, l'éclairement et la présence d'impuretés (dopage). Exemple des semi-conducteurs : le silicium et le Germanium…

III- Les semi-conducteurs 1) Structure atomique

Les atomes de semi-conducteur sont tétravalents (4 électrons libre dans la bande de valence : 4 liaisons de valence).

Figure 1 : Structure atomique d'un semi-conducteur intrinsèque 2) Structure cristalline

Un cristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques sont disposés aux nœuds d'un réseau géométrique régulier. Les atomes sont liés entre eux par des liaisons de covalence assurant au cristal une certaine rigidité. 

Semi-conducteurs de la colonne IV : tétravalent (Ge, Si) → Réseau cubique



Formation du cristal : association avec quatre voisins



A T = 0 K = -273.15°C (aucune liaison brisée) : pas d’électrons libres (isolant)

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Figure 2 : Structure cristalline d'un cristal de Silicium 3) Influence de la température

L'étude de la résistance en fonction de la température et de l'absorption optique permet d'accéder à la grandeur physique essentielle de ces matériaux, la largeur de bande interdite «Gap». A température nulle(=0 K), la bande de conduction est vide d'électrons, la bande de valence est pleine. Le matériau est isolant. 4) Niveau et bande d’énergie

Les électrons sont repartis sur des couches qui orbitent au tour du noyau. Chaque couche correspond à des niveaux d’énergie. Les espaces entres les différentes couches constituent des niveaux d’énergie interdites (aucun électron ne peut s’y trouver).

Figure 3 : Répartitions des électrons sur les niveaux d'énergie d'un atome de Silicium _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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Un électron ne peut passer d’une couche à une autre plus élevé que s’il reçoit de l’extérieur une énergie supérieure ou égale à énergie de la bande interdite.



Les conducteurs n’ont pas de bande interdite. On remarque d’après la figure 3 que même les deux bandes de conduction et de valence se chevauchent. Les électrons de valence qui gagnent des niveaux d’énergie supérieures peuvent passer à la bande de conduction. Comme cette dernière n’est pas entièrement remplie les électrons peuvent se mouvoir librement sous l’action d’un champ électrique extérieur aussi faible qu’il soit.



Les isolants sont caractérisés par une bande interdite très large (>3eV, 1eV= Joule). A température ambiante, la bande de valence est entièrement remplie alors que la bande de conduction est vide.



Les semi-conducteurs ont une bande interdite relativement faible, elle est de 1.1 eV pour le Silicium et de 0.7 eV pour le Germanium. Cette bande est aisément franchissable.

A 0°K :

Les électrons sont engagés dans des liaisons de covalence (deux électrons de la couche de valence sont liés entre eux par une liaison de covalence), ils sont donc attachés à la couche de valence. Et la couche de conduction est vide. A la température ambiante :

Les électrons de la couche de valence acquièrent une énergie qui leur permet de briser la liaison de valence. Cette énergie doit être supérieure ou égale à la largeur de la bande interdite pour passer de la bande de valence à la bande de conduction.

Figure 4 : Bandes énergétiques d'un Semi- conducteur a) à 0°K b) à 30°K

5) Recombinaison électron-trou

Si la température augmente, L'électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un électron libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une charge libre positive. Le trou peut être occupé par un autre électron de valence qui laisse, à _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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son tour, un trou derrière lui: tout se passe comme si le trou s'était déplacé, ce qui lui vaut la qualification de charge libre. La reconstitution d’un pair électron libre-trou est appelée génération alors qu'on donne le nom de recombinaison au mécanisme inverse. En conclusion, on peut résumer ce mécanisme en 6 étapes : 1) Apport d’une énergie à une liaison de valence 2) On arrache un ou plusieurs électrons 3) Cet électron de la BV passe dans la BC 4) L’électron se comporte comme une particule ″quasi-libre″ (sous l’influence du réseau) 5) Il peut participer à la conduction électrique 6) En fait, il apparaît aussi un trou libre

(a)

(b)

Figure 5 : Génération électron -trou a) apparition d'un électron libre b) apparition d'un trou libre

IV-

Dopage des semi conducteur

1) Semi-conducteur intrinsèque

Dans un cristal pur à la température ordinaire, l’énergie thermique en garde un nombre égal des électrons libres et des trous. Un S.C. pur (dont le comportement électrique ne dépend que de sa structure) est dit intrinsèque. Le S.C tel qu’il est présent dans la nature ne présente pas des caractéristiques électriques importante. Pour augmenter sa conductibilité, on doit l’améliorer par le dopage.

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Electronique Générale 2) Semi-conducteur extrinsèque : dopage

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La conduction électrique se fait par les électrons et/ou les trous. Pour augmenter la conductibilité, on agit sur le nombre des électrons libres. Le dopage consiste à l’ajout d’impureté d’une quantité contrôlé. Semi-conducteur :

2.1)

⇒ ⇒

pur intrinsèque Dopé extrinsèque

Semi-conducteurs de type N

On introduit dans la matrice de silicium des atomes d’impuretés pentavalents tels que le phosphore P, l’arsenic As et l’antimoine Sb. Chaque atome d’impureté amène un électron de valence supplémentaire. Cet électron est peu lié au noyau et

passe aisément dans la bande de conduction. La conductivité du

matériau

(conductivité extrinsèque) devient à cause du taux de dopage, très supérieure à celle du matériau pur. Les atomes pentavalents ou donneurs deviennent des ions positifs après le passage des électrons excédentaires dans la bande de conduction. La conduction dite de type N (négative) est assurée par des électrons. Les électrons sont les porteurs majoritaires.

Figure 6 : Structure cristalline d'un SC dopé N 2.2)

Semi-conducteurs de type p

On introduit dans le réseau une impureté trivalente : bore B, aluminium Al, gallium Ga, indium In. Il manque à l’impureté un électron de valence pour assurer les 4 liaisons avec les atomes de silicium voisins. Un faible apport d’énergie suffit pour qu’un électron d’un silicium voisin soit capté par l’impureté : il y a formation d’un trou peu lié et donc mobile. Les atomes trivalents (accepteurs) deviennent des ions négatifs par capture d’un électron. Compte tenu des

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taux de dopage, ces trous sont beaucoup plus nombreux que les porteurs intrinsèques du cristal pur. La conduction de type P (positive) est assurée par des trous. Les trous sont les porteurs majoritaires.

Figure 7 : Structure cristalline d'un SC dopé P

V- Jonction PN 1) Jonction PN non polarisée

Une jonction PN est la mise en contact entre un semi-conducteur type N et un semiconducteur type P issus d'un même cristal (1). A proximité de la jonction, les électrons de conduction excédentaires coté N passent côté P pour se recombiner avec des trous. Ainsi, une charge d'espace statique négative se génère coté P et une charge d'espace statique positive se génère coté N (2). Le lieu ou réside cette charge d'espace est appelé zone de charge d'espace ZCE ou zone de déplétion où la concentration en porteurs libres est quasiment nulle (3).

Figure 8 : Phénomènes produits lors de la mise en contact de deux jonctions N et P Il existe un dipôle aux bornes de la jonction donc la génération d’un champ électrique Ei dans la ZCE qui s'oppose au passage des porteurs majoritaires mais favorise la diffusion des minoritaires pour atteindre un certain équilibre. Il existe aussi une DDP V0 associée au ce champ.

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Figure 9 : La ddp V 0 et le champ Ei associé la Zone de charge d'espace

La diffusion des électrons/trou s’arrête lorsque la somme des charges négatives empêche les électrons de passer la jonction. Ce phénomène est désigné sous le nom de « barrière de potentiel ». Pour passer cette barrière, les électrons ont besoin d’un apport extérieur d’énergie. On fournit cette énergie par une source de tension. La tension nécessaire pour passer la barrière de potentiel est de 0,7V pour le silicium et 0,3V pour le germanium. 2) Jonction PN polarisée

Une Jonction est dite polarisée si on applique à ses bornes une tension externe. 2.1)

Polarisation directe

En polarisation directe, la borne négative doit être connectée à la région N et la borne positive est connectée à la région P, comme illustré.

Figure 10 : Jonction PN polarisée en directe Le champ externe

Ee�� fourni par le générateur s’oppose à Ei la barrière de potentiel est abaissée

(réduite). Si la tension de polarisation externe Vext est plus grande que 0,7 V (pour le silicium), les électrons passent la jonction : il y a circulation de courant I. La jonction se comporte comme une résistance.

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Electronique Générale 2.2) Polarisation inverse

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En polarisation inverse, la borne positive est connectée à la région N. La borne négative se trouve connectée à la région P. Les électrons libres sont alors attirés vers la borne positive. Les trous sont attirés vers la borne négative, comme le montre l’illustration ci-dessous.

Figure 11 : Jonction PN polarisé en inverse. Dans cette situation, le passage d’un courant est impossible : la jonction est bloquée. Toutefois, il subsiste un courant inverse (courant de saturation inverse ou courant de fuite) extrêmement faible. Ce courant est si infime qu’il est négligé. La région d’appauvrissement est considérablement élargie. La tension inverse externe appliquée à la jonction admet une limite que la jonction peut supporter avant de se détruire : tension de claquage.

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Chapitre 2 : Les diodes I-

Introduction

Les diodes, très couramment utilisées en électronique, sont en réalité de simples jonctions PN telles que nous l’avons vu. Dans ce cours nous allons relever en premier lieu

la

Caractéristique courant/tension d’une diode à jonction, puis ses utilisations et enfin les autres types des diodes.

II- Diodes à jonction 1) Généralité sur les diodes

La diode est une jonction PN : elle est réalisée par la juxtaposition de deux jonctions de SC, l’un est dopé N, l’autre est dopé P. C’est un dipôle électrique unidirectionnel non linéaire dont les bornes sont l’anode (A) et la cathode (K).

Figure 12 : La diode à jonction : schéma de principe

2) Caractéristique courant/tension

Elle consiste à tracer l’évolution du courant traversant la diode en fonction de la tension à ces bornes dans les deux cas : polarisation directe et inverse. Notations : 

VD : tension directe aux bornes de la diode ou encore VF : Forward voltage



Vi : tension inverse aux bornes de la diode ou encore VR : Reverse voltage



ID : courant direct traversant la diode ou encore IF: Forward current



Ii : courant inverse traversant la diode ou encore IR : Reverse current

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Electronique Générale 2.1) Caractéristique direct

ISET Kef

On réalise le montage suivant :

Figure 13 : Polarisation directe d'une diode à jonction Puis on enregistre l’évolution du courant ID en fonction de la tension U D, ce qui permet de tracer la courbe suivant (exemple diode 1 4005) :

V0 Zone1

Zone 2

Zone 3

Figure 14 : Caractéristique directe ID=f(UD) d'une diode Sur ce type de diode au silicium, il n’ya conduction que si on dépasse une t nsion seuil de 0,7V. Au delà de cette valeur le courant croit assez rapidement. On distingue 3 zones : 

Zone 1 : Zone de non condu ction



Zone 2 : il n’ya conductio que si on dépasse une tension seuil, cette one est non linéaire

(coude) __________________________ ___________________________________ ________________ 16 Noura Issaoui

Electronique Générale 

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Zone 3 : partie linéaire, c’est la zone du fonctionnement de la diode. On peut alors relever les paramètres de la diode : -

rd : est la pente de la partie linéaire

-

V0 : est la projection de la partie linéaire sur l‘axe UD.

Remarque :

 = ( ) de la  ) (  =  exponentielle :  =  (  − 1) ; La caractéristique directe

diode est également modélisée par la loi

Avec : Is : courant inverse de jonction = courant de fuite (de l’ordre de 10 nA) K : constante de Boltzmann : 1.38 10 -23 V.C/°K. T : Température absolue : (273+ t) °K q : charge d’électron : 1.6 10 -19 C A la température t= 27°C,

 = 26 .

2.2) Caractéristique inverse

On réalise le montage suivant :

Figure 15 : Polarisation inverse d'une diode à jonction Quand la tension appliquée dépasse la valeur spécifiée par le fabricant VRM, le courant décroît très rapidement.

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Figure 16 : Caractéristique inverse IR=f(UR) d'une diode S'il n'est pas limité par des éléments externes, il y a destruction rapide de la diode. Deux phénomènes sont à l'origine de ce résultat : 

phénomène d'avalanche : quand le champ électrique au niveau de la jonction devient trop intense, les électrons accélérés peuvent ioniser les atomes par chocs, ce qui libère d'autres électrons qui sont à leur tour accélérés Il y a divergence du phénomène, et le courant devient important.



phénomène Zener : les électrons sont arrachés aux atomes directement par le champ électrique dans la zone de transition et créent un courant qui devient vite intense quand la tension Vd atteint une valeur Vz dite tension Zéner.

2.3)

Caractéristique globale

On a vu précédemment que le courant était négligeable pour une tension Vd= V p− Vn négative (ceci est vrai jusqu'à une tension Vc dite tension de claquage). Au dessus d'un certain seuil Vo de tension V d positive, le courant direct croit très rapidement avec Vd. Le seuil Vo dépend du semi conducteur intrinsèque de base utilisé. Il est d'environ 0,3V pour le germanium et 0,7V pour le silicium. La caractéristique a la forme suivante :

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Figure 17 : Caractéristique Id=f(Ud) d'une diode

3) Point de fonctionnement

Le point de fonctionnement est situé à l’intersection entre la droite de charge statique et la caractéristique (éventuellement linéaire) de la diode. La droite de charge statique est la représentation de la relation linéaire imposée par le générateur continu aux courant et tension dans la diode (U = U d + Id R ).

(a)

(b)

(c) Figure 18 : Droite de charge et point de fonctionnement a) montage b) circuit équivalent c) caractéristique Id= f (Ud)

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Le point de fonctionnent est (V d, Id), il est relevé soit à partir de la courbe, soit à partir de la résolution du système : U = Ud + Id R et  =  (



(  �

− 1� .

4) Approximations de la diode

Pour comprendre

le fonctionnement d'un montage comprenant des diodes,

plus simple de considérer la diode de approximations, nous utilisons

une

manière technique

approximative. dite

Pour

il est souvent illustrer

de schémas équivalents. Le

ces choix

de l'approximation dépend de la valeur des tensions présentes dans le circuit, de l'utilité du circuit à diode ou des courants circulant dans le montage. 4.1)

Première Approximation : diode idéale

Dans ce cas la diode est approximée à un interrupteur : lorsqu’elle est passante l’interrupteur est fermé et dans le cas contraire c'est-à-dire lorsqu’elle est bloquée l’interrupteur est ouvert.

Figure 19 : Caractéristique d'une diode idéale. 1) En direct VD=0 V ∀ ID. diode ≡ court circuit

4.2)

2) En inverse ID=0 A ∀ VD. diode ≡ circuit ouvert

Deuxième approximation

Dans ce cas de figure, nous allons prendre en considération de la chute de tension aux bornes de la diode que nous allons la modéliser par un générateur de tension et un interrupteur. Celuici s’obtient si on dépasse un seuil de tension.

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Figure 20 : La 2 ère approximation de la diode 1) En direct VD=V0 . diode ≡ source de tension idéale V0

4.3)

2) En inverse ID=0. diode ≡ circuit ouvert

Troisième approximation

C’est l’approximation est la plus proche du cas réel. On modélise la diode par un générateur de tension qui représente la chute de tension et sa résistance interne qui est déterminée graphiquement par la pente de la caractéristique.

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Figure 21 : La 3ème approximation de la diode

1) En direct VD=V0 + rD ID. diode ≡ source de tension réelle (V0 , rD)

2) En inverse ID=0. diode ≡ circuit ouvert

III- Applications des diodes 1) Redressement du courant alternatif 1.1)

Redressement simple alternance

La diode peut être utilisée pour obtenir un courant unidirectionnel à partir d’un courant alternatif tel que le courant sinusoïdal.

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Figure 22 : Montage d'une diode utilisée pour le redressement.

Figure 23 : Tensions d'entrée et de sortie d'une diode redresseuse simple alternance Tant que, la tension d’entrée e(t) est inférieur à la valeur de la tension seuil de la diode V0, la diode est bloque et U=0V. Dés que e(t) atteint V0, cette dernière devient passante et la tension U= e(t)- V0. 1.2)

Redressement double alternance

Avec transformateur à point milieu (avec 2 diodes) :

A pont de Greatz (avec 4 diodes)

(b) (a)

Figure 24 : Montage d'un redressement double alternance (a) à 2 diodes, (b) à pont de diode

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Figure 25 : Tensions d'entrée et de sortie d'une diode redresseuse double alternance

2) Détecteur de crête

Ce dispositif permet de mémoriser la valeur crête d'un signal. Il est très utilisé en instrumentation.

Figure 26 : Montage détecteur de crête

Figure 27: Tensions d'entrée et de sortie d'un détecteur de crête

3) Détecteur d’enveloppe

L'association d'une diode et d'un dipôle RC parallèle constitue un détecteur d'enveloppe.

Figure 28 : Montage d’un détecteur d’enveloppe

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Figure 29 : Tensi ns d'entrée et de sortie d'un détecteur d’enveloppe

IV-

Les diodes spéciales

1) Diodes Zener 1.1)

Symbole

Figure 30 : Quelques symboles de la diode Zener

1.2)

Principe de fonctionne ent

Dans le sens direct, cette diode conduit comme une diode classique, dans le sens inverse le courant reste nul jusqu’à la tensi n VZ, puis cette tension reste indépendante du courant. La valeur de V Z est donnée p r la documentation constructeur de la di de Zener ou par sa référence (exemple : BZX79C5V1, est une diode Zener dont la tension est 5,1V : 5V1).

1.3)

Caractéristique d'une d ode Zener

__________________________ ___________________________________ ________________ 25 Noura Issaoui


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Figure 31: Caractéristique d'une diode Zener

1.4)

Stabilisation de tension

Les diodes Zener sont fréquemment utilisées pour pour stabiliser la tension dans un circuit. Lorsqu'on la connecte en inverse en parallèle avec une source de tension variable, une diode Zener devient conductrice lorsque la tension atteint la tension Zener de la diode. Elle maintient ensuite la tension à cette valeur.

Figure 32 : Utilisation d'une diode Zener pour la stabilisation stabili sation de tension 2) Diodes Schottky

Dans les diodes Schottky, la jonction P -N est remplacée par la jonction d’un métal avec un semi-conducteur peu dopé (de type N car les porteurs sont plus mobiles). Si le métal (anode) est positif par rapport à la zone N (cathode) la jonction est conductrice. La diode Schottky est une diode qui a un seuil de tension directe très bas et un temps de commutation très rapide.

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Figure 33: Symbole d'une diode Schottky 3) Diode iode élec lectrol trolum umin ineesce sce te (LED)

Une diode électroluminesce te est est un compo composa sant nt opto opto-é -éle lect ctro roni niqu quee cap cap ble d’émettre de la lumi lumièr èree lors lorsqu qu’il ’il est est parcou parcouru ru p r un un courant él électrique. Un Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (le sens passant, comme une diode classique, l'inverse étant le sens bloquant).

Fi ure 34 : Symbole d'une diode LED 4) Photodiode

Une photodiode est un composan t semi semi-c -con ondu duct cteur eur ayan ayantt la capac capacité ité de de détec détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique

Fi ure 35 : Symbole d'une photodiode 5) Diodes Varicaps

Une diode Varicap est une asso iati iation on diod diodee + con conde dens nsat ateu eurr var varia iabl ble. e. La La zone vide de porteurs d’une jonction polarisée en

inverse voit son épaisseur augmenter si on ugmente la tension

inverse inverse.. Cette Cette zone joue le rôle du diélectrique d’ d’un co condensateur. Si l’ l’ paisseur cette zone augmente la capacité diminue.

n obtient obtient un condensateu condensateurr dont la capacit capacité est fonction de la

tension inverse appliquée.

Figure 36 : Symbole d'une diode Varicaps

__________________________ ___________________________________ ________________ 27 Noura Issaoui


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Travaux dirigés Exercice 1 :

Soit le circuit suivant :

 = 10 .  ) (  =  (  − 1), la chute de

On veut imposer un courant I 0 = 1 mA à partir d’une source s ource U0 = 2 V avec 1) Calculez, en utilisant utilisant la caractéristique directe de la diode: tension aux bornes de la diode. 2) Calculez la résistance R nécessaire pour imposer imposer le courant I0 = 1 mA.

3) Calculez la résistance résistanc e dynamique de la diode au point de fonctionnement. Exercice 2 :

Soit le circuit suivant suivant en considérant les diodes comme parfaites.

Tracer VS2 la tension aux bornes de la résistance rés istance et donnez le nom de la l a fonction ainsi réalisée.

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Electronique Générale Exercice 3 :

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On considère le circuit constitué par un transformateur, deux diodes et une résistance telle que la tension e1(t) =e2(t)=17 sin (2 π* 50t).

En tenant compte que les deux diodes D 1 et D2 sont identiques et ont une tension seuil V 0= 0.7V. 1) Expliquer le principe de fonctionnement de ce montage. 2) Tracer la courbe de la tension U aux bornes de la résistance R(en tenant compte de V0=0.7V). 3) Quelle est la fonction réalisée par ce montage ? 4) On ajoute maintenant un condensateur en parallèle à cette résistance. Tracer une allure de la nouvelle tension U. Exercice 4 :

On considère le circuit électronique suivant :

On donne V0 =0.7V, Vz=6.3V . Ve(t)=10 *sin (2. π.100t) 1) A partir de la tension d’entrée e(t), tracer sur la même courbe la tension de sortie s(t). 2) Déduire la courbe de la tension aux bornes de la résistance R. 3) Déterminer la caractéristique s(t) = f(e(t)). On suppose maintenant de la tension e(t) est constante est égale 6V. 4) Quelle est la valeur de s(t) en indiquant l’état des deux diodes.

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Exercice 5 :

On suppose que les deux circuits suivants sont alimentés par une source de tension sinusoïdale e(t)=Vm*sin (2. π.ft)

Montage 1

Montage 2

On suppose que toutes les tensions E 1, E2, VZ1 et VZ2 sont inférieures à Vm. Les diodes D1, D2, DZ1 et DZ2 sont parfaites (V0=0V, rd=rZ=0). 1) Expliquer le principe de fonctionnement de chaque montage. 2) Tracer l’allure de s(t) pour chaque montage, ainsi que s(t)=f(e(t)).

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Chapitre 3 : Le transistor bipolaire en régime statique I- Généralités 1) Historique

L’effet transistor a été découvert par Bardeen et Brattain en décembre 1947. Un mois plus tard et indépendamment, Schottky a construit le premier transistor à jonction sur du Germanium cristallin, puis il a publié en 1949 sa théorie sur les transistors à jonction. La fabrication industrielle des transistors a démarré en 1951. 2) Structure

Le transistor bipolaire est la mise en contact de trois couches dopées de semi-conducteurs Silicium ou Germanium de façon à former soit un transistor de type NPN ou PNP.

Figure 37 : Transistor bipolaire NPN

Figure 38 : Transistor bipolaire PNP

Le transistor NPN est formé de : •

l’émetteur E : couche fortement dopée, d’épaisseur moyenne, son rôle est d’émettre les électrons vers la base ;

•

la base B: couche faiblement dopée, très mince, son rôle est de transmettre la plupart des électrons venant de l’émetteur vers la base ;

•

le collecteur C : couche moyennement dopée et de forte épaisseur ; son rôle est de collecter les électrons venant de l’émetteur via la base. Sa taille est choisie grande afin qu’il puisse évacuer la plus grande quantité de charge.

Pour le transistor PNP : on a la même structure et le même type de dopage sauf que les porteurs majoritaires sont les trous. _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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Electronique Générale Remarques importantes :

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On peut assimiler les jonctions émetteur-base et collecteur-base à deux diodes sur le plan théorique. Mais il faut noter qu’on ne peut jamais réaliser un transistor à l’aide de deux diodes ordinaires vu l’épaisseur de la base et l’homogénéité de dopage dans les trois couches du transistor.

II- Polarisation normale d’un transistor : l’effet transistor 1) Transistor NPN

La polarisation a pour rôle de placer le point de fonctionnement du transistor dans une zone où ses caractéristiques sont linéaires. Plaçons-nous dans le cas d’un transistor NPN. Polarisons la jonction base émetteur en directe et la jonction base collecteur en inverse.

Figure 39 : Polarisation d'un transistor NPN L’effet transistor peut se résumer en trois grands points : •

Lorsque le potentiel VBE dépasse le seuil de conduction de la jonction BE (0.7V pour le Si) le champ interne résultant accélère les é vers la base ; d’où IE ;

•

Une très faible proportion des è venant de l’émetteur se recombine avec les trous de la base où ils sont peu nombreux (couche mince) puis s’écoulent en passant de trou en trou vers la connexion de base, d’où un faible courant I B.

•

La majorité des é libres venant de l’émetteur et rentrant dans la zone de déplétion base collecteur vont être évacués vers le collecteur sous l’action du champ externe ; d’où IC.

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2) Transistor PNP

De même phénomène peut se produire dans les transistors PNP, polarisé comme précédemment.

Figure 40 : Polarisation d'un transistor PNP Comme les porteurs majoritaires dans la région de l’émetteur sont des trous. On assiste à un déplacement de lacunes de l’émetteur vers la base sous l’effet du champ externe VBB. Puis sous l’action du champ externe V CC, la majorité de ces lacunes iront vers le collecteur. Il y’a donc conduction de type P accompagné d’un déplacement d’é de valence en sens inverse, ce qui explique l’inversion du sens de tous les courants I E, IB, et IC par rapport aux jonctions de type NPN.

III-

Le transistor comme une source de courant commandée

1) Le gain statique en courant

Appelons α le pourcentage des porteurs venant de l’émetteur et qui ont atteint le collecteur et (1α) le pourcentage des porteurs venant de l’émetteur et qui sont recombinées dans la base.

Si IE est le courant émetteur, on peut facilement exprimer le courant collecteur I C et I B en fonction de IE :

IC = α IE IB = (1- α) IE

La somme de deux équations montre que : I E = IC + IB La combinaison de deux équations permet aussi d’exprimer le courant de collecteur en fonction du courant de la base.

 =     posant  = 

En effet En

il vient

 =  

Donc  =  +  =   +  = ( + 1� _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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Remarque : •

Les relations vues ci-dessus sont vrais aussi pour le transistor PNP.

•

Le gain statique en courant β est une caractéristique du transistor. Il varie selon les modèles de 20 à 200 et même plus. Dans les catalogues, il est noté h FE.

2) Les montages de type Darlington

Pour obtenir des gains β assez élevés, on peut réaliser des montages de type Darlington qui sont très intéressant dans l’amplification des faibles courants.

Figure 41 : Montage de type Darlington

 = ( + 1) = ( + 1) = ( + 1)( + 1) ≈    =   

 ≈ 

Les montages Darlington sont très utiles quand il s’agit d’amplifier des courants très faibles.

IV-

Réseau de caractéristique du transistor monté en Emetteur commun

Les grandeurs existantes pour un transistor sont résumées dans la figure suivante :

Figure 42 : Grandeurs physiques d'un transistor

Les caractéristiques ne sont reportées que pour le fonctionnement utile. On distingue 4 quadrants: _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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Electronique Générale •

ISET Kef

Caractéristiques d’entrée [IB = f(VBE) à VCE=constante], caractéristique d’une diode en direct. La tension VBE a une tension de seuil V0 (~ 0,7V),

•

Caractéristiques de sortie [IC = f(VCE) à IB=constante], pour différentes valeurs de IB, IC et VCE sont liés proportionnellement dans la limite de la puissance maximale du composant (Pmax = constante, d’où l’hyperbole de dissipation maximale),

•

Caractéristiques de gain en courant (ou transfert de courant) [IC = f(IB) à VCE =constante] traduit le fait que les courants IB et IC sont proportionnels,

•

Caractéristiques de transfert en tension [VCE = f(VBE) à IB=constante] : indique que V CE évolue peu pour V BE maintenue constante.

Figure 43 : Réseau de caractéristiques du transistor

V- Droite de charge et point de fonctionnement La connaissance des réseaux de caractéristiques, notamment les réseaux d’entrée et de la sortie, permet de définir d’une manière rigoureuse le comportement d’un transistor en régime statique. Ces réseaux permettent aussi de fixer le point de fonctionnement statique du transistor. En effet, considérons le montage de polarisation par résistance de base suivant :

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Figure 44 : Circuit de polarisation par résistance de base Le circuit de polarisation par résistance de base est le circuit le plus simple pour un transistor monté en émetteur commun. Le courant de polarisation de base I B peut être calculé facilement à partir de l’équation relative au circuit d’entrée puisque

 =  + 

 =   ≈  car VBE =0.7V (faible par rapport VCC). 



On déduit d’après cette relation que pour une tension d’alimentation donnée, le courant de polarisation de base dépend du choix da la résistance RB. Ainsi en changeant la valeur de celle-ci on peut se positionner sur n’importe quelle caractéristique IB=constante du réseau de sortie. D’autre part, on a :  =    +  

→

 =  

C’est la droite de charge statique

Cette droite peut être représentée graphiquement sur le réseau de sortie en définissant deux points 

limites ayant pour coordonnées : {  =  ,  =  }  Supposons maintenant que le courant de polarisation de base I B est constant. L’intersection de cette droite avec cette caractéristique permet de définir le point de fonctionnement du transistor, comme il est représenté dans la figure suivante. le point de fonctionnement est de coordonnées (VCEF , ICF) :

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Figure 45 : Droite de charge, droite d'attaque statique et point de fonctionnement d'un transistor

Exemple d’application :

Le transistor 2N2222A est soumis à un circuit de polarisation par résistance de base. On dispose d’une alimentation VCC= 20V. Déterminer le circuit de polarisation (RB et RC) permettant de fixer le point de fonctionnement Q tel que Q (IC=60mA, VCE=10V) à IB=0.2mA.

VI-

Le transistor en régime de commutation

On admettra qu’il existe un courant résiduel I CE0, tel que pour I B=0 on a IC=ICE0. •

Pour IB=0, le point ou la droite de charge rencontre la caractéristique IB=0 définit ce qu’on appelle le point de blocage ; il a pour coordonnées : ICE0 (quasiment nulle) et V CE≈VCC ;

•

Pour IB=IBsat, l’intersection de la droite de charge avec la caractéristique IBsat définit le point de saturation qui a pour coordonnées : I C≥ICsat et VCEsat ≈0.

•

On peut faire fonctionner un transistor en régime de commutation : - un état bloqué pour lequel I B=0 ; VCE=VCC. - un état saturé pour lequel IB≥IBsat ; VCE=0.

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Condition de blocage :

Il suffit d’avoir IB=0 Condition de saturation :

Il suffit d’avoir VCE=0.

VII- Les circuits de polarisation Pour faire fonctionner un transistor en régime linéaire, il faut définir un circuit de polarisation permettant

de

linéaires des caractéristiques

fixer de

le

point

de

fonctionnement

sur

les

parties

sortie celles situées entre la zone de saturation et la

zone de dissipation maximale de puissance.

Figure 46 : Zone de fonctionnement linéaire.

1) Facteur de stabilité thermique

La température influe sur les caractéristiques statiques du transistor; en effet, tout accroissement de la température s’accompagne par une variation de

∆ de la caractéristique

d’entrée et d’un glissement vers le haut du point de fonctionnement dû à l’augmentation du courant résiduel

 = ( + 1) . Avec : ICB0 est le courant résiduel collecteur base à émetteur ouvert (IE=0). ICE0 est le courant résiduel collecteur émetteur à base ouverte ( IB=0).

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Figure 47 : Influence de température sur le point de fonctionnement. On peut définir pour chaque circuit deux facteurs de stabilité thermique :

 = ∆∆ 





∆

et ′ = ∆  

Remarque :

Plus les facteurs de stabilité thermique sont faibles, plus le circuit de polarisation est stable. 2) Polarisation par résistance de base 2.1)

Montage

Le montage de ce circuit est représenté dans les figures suivantes :

Figure 48 : Montage polarisation par résistance de base a) NPN, b) PNP

2.2)

Equations caractéristiques

 =   +  (1)  =   +  (2)  =   +  (3)  = ( + 1� (4) _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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Electronique Générale 2.3) Facteur de stabilité thermique

 = ∆∆ 





2.4)

ISET Kef

∆  = ( + 1� et   = ∆ =   



Conclusion

•

Avantages : simple et facile à réaliser ;

•

Inconvénients : sensible aux variations de β (quand T

on a β

→

le point de

fonctionnement est instable) Utilisation : circuits de commutation et circuit numérique

•

2.5)

Application

Relever les facteurs de stabilité du circuit suivant :

Solution :  On a  =   +  =   +( +1� D’où ∆ = (  + 1�. ∆ ∆

Donc  = ∆  =  

( �.∆ ∆

= +1

 =  + 1 signifie que S est d’autant plus faible que  sera petit. Or  augmente quand T augmente, donc S augmente avec T et cela présente une inconvénient de la circuit de polarisation par résistance de base.



On a  =   +  →  = 

∆    = ∆ =  ,  



→

  d’où 

∆ =

∆ ∆ 

∆  = ∆ =   

  est d’autant plus faible que R B soit grand. Ce qui n’est pas

toujours possible. En conclusion, le montage de polarisation de base n’est pas bon dispositif de stabilisation thermique.

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40


ISET Kef

3) Polarisation par pont diviseur de tension 3.1)

Montage

Le montage de ce circuit est représenté dans la figure suivante :

(a) Figure 49 : Diviseur de tension

Figure 50 : Polarisation par diviseur de tension : a) transistor NPN, b) transistor PNP

3.2)


Figure 51 : Polarisation par pont diviseur D’après la figure, on a un pont diviseur de courant au point B défini par : I 1=IB+I2 , Hypothèse : on choisit I1 On peut écrire

≫I

B

(il suffit de prendre I1=11*IB).

 ≈  =  

 =   =  ∗  + =  

Donc on a V B=cte ∀  ≤  D’après loi des mailles (maile(1)) : on a  =  +  _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

41


Hypothèse : on choisit VE

≫V

BE

→

ISET Kef

 =  ∗   ≅ 

Le but de polarisation par pont diviseur de tension est de maintenir fixe le point de fonctionnement du transistor quelque soit les variations d’origines thermiques. Pour y parvenir, il suffit de fixer le courant de collecteur IC=cte, c-à-d IE= cte . Maintenir IE=cte revient à maintenir VE = cte (car VE =IE *RE) ; Maintenir VE=cte revient à fixer le potentiel VB à une valeur constante. Comme on vient de voir ceci est possible à condition de choisir 3.3)

 ≤  .

Conclusion

•

Avantages : point de fonctionnement stable ;

•

Inconvénients : nombre des résistances mises en jeu (4 résistances).

•

Utilisation : Amplificateur de tension à usage générale.

3.4)

Application

On désire polariser un transistor NPN (β=100) par un pont diviseur de tension, tel que Q (ICQ=10mA, VCEQ=10V). On dispose d’une alimentation V CC=20V. Représenter le circuit de polarisation et calculer les valeurs de ses résistances en considérant Rc est nulle. Solution :

Le circuit recherché est le suivant :

 =  +  =  +   d’où  =      et puisque  ≅  , on obtient  =   =  = 1Ω    On a  = 100 →  =  =  = 100 On a

 ≈   ≈   = 10  =  +  ≈  ≈ 10 car  est négligeable devant 

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42


Pour que V B soit considéré comme constante, il faut que

 ≥ 11 = 1.1.

ISET Kef

 = �.0�Ω  =  d’où  =  ≤ .  =   =   ≤  . = �.0�Ω Finalement, on peut choisir =  = �Ω ≤ �.0�Ω, ce qui permet d’avoir un courant :  = 1.25 ≥ 1.1 . Comme

4) Polarisation par réaction de collecteur 4.1)

Montage

Le montage de ce circuit est représenté dans la figure suivante :

Figure 52 : Polarisation par réaction du collecteur : a) transistor NPN, b) transistor PNP 4.2)


 =  +   =  ∗   =   +   =   +  ≈  

Figure 53 : Polarisation par réaction du collecteur

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Electronique Générale 4.3) Principe

ISET Kef

Le principe de polarisation par réaction est le suivant : une augmentation de la température, entraîne un accroissement de β, donc d’IC. Il en résulte une chute de tension RC*I plus élevée d’où

VCE diminue. Comme V CE=RB*IB, le courant IB diminue et entraîne à son tour une

diminution de IC. En conclusion IC reste constant. En effet si :

4.4)

Conclusion

•

Avantages : simple et bien adapté pour les signaux basses fréquences ;

•

Inconvénients : dépend partiellement de β.

•

Utilisation : amplificateur à faibles signaux

5) Polarisation par diode 5.1)

Montage

Une polarisation par diode est réalisée à partir de l’un des montages suivants

Figure 54 : Miroir électrique a) NPN, b) PNP, c) Complément

5.2)

Principe de miroir électronique

Considérons le montage miroir NPN et remplissons le transistor par ses propres transistors comme le montre la figure suivante : _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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ISET Kef

Figure 55 : Miroir électrique Puisque  ≪  car  ≫ 1 on a  ≈  Si on choisit R de façon  ≫  alors  ≈  D’autre part : Comme V BE est le même potentiel aux bornes de la diode D et la diode d’émetteur. Il en résulte que les courants I D et I E sont les mêmes →  ≈  ≈  ≈  L’effet miroir des circuits polarisés par diode. I : appelé courant miroir ; IC courant réfléchie. 5.3) •

Conclusion

Avantages : insensible aux variations de la température;

   puisque VBE   VCC≫VBE, donc  ≈  =  → IC

On a  =  =

varie peu avec T (-2.5 mV/°C), et en plus on choisit indépendante de T.

Le circuit de polarisation par diode est peu sensible aux variations de la température. Le rôle de la diode D est alors de maintenir le courant du collecteur constant. Elle est appelée diode de compensation. •

Inconvénients : Ce circuit est difficile à mettre en œuvre.

En effet, Pour assurer l’effet miroir il faut choisir une diode D qui a la même caractéristique que la diode du transistor. Ce qui est très difficile. •

Application : circuit intégré linéaire.

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Soit le montage suivant

 = 15 ;  = 100 ;  = 0.7 1) Quel est le type de polarisation de ce montage ? 2) Calculer

,  ,  ,  et 

3) Pour la variation de  de 10% calculer la variation de  . 4) Conclure Exercice 2 :

On considère le circuit suivant où la diode Zener est supposée idéale (rd= r z=0, V0=0) sa tension Zener Vz=5.6V.

Le transistor est caractérisé par les paramètres suivants:  = 200,  = 0.6 . On donne  = 500Ω,  = 100Ω,  =

400Ω et  = 12 1) Montre que le courant IC est indépendant de la résistance RC. 2) Déterminer la valeur de IZ. 3) Déterminer la tenson VCE.

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Electronique Générale Exercice3 :

ISET Kef

Soit le montage suivant :

I)

Les interrupteurs A et B ouverts :

1. Calculer le courant IB. 2. Quel est l’état du transistor ? 3. La diode LED est-elle allumée ou éteinte ? justifier la réponse 4. Calculer VPC au point commun des diodes D 1, D2 et D3. II)

On ferme l’interrupteur A (B ouvert)

1. Calculer la tension VPC et le courant IB. Quel est l’état du transistor ? 2. Calculer le courant I qui circule dans R1. Quel est l’état de la diode LED ? 3. Calculer la tension VCE. 4. Compléter le tableau suivant : Interrupteur A

Interrupteur B

Ouvert

Ouvert

Ouvert

Fermé

Fermé

Ouvert

Fermé

Fermé

Etat du transistor

Etat de la diode

5. Quelle est la fonction réalisée ?

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Chapitre 4 : Le transistor bipolaire en régime dynamique I- Introduction Nous avons étudié le transistor bipolaire en régime statique et on a passé en revue ses différents circuits de polarisation. On va s’intéresser maintenant à l’étude du transistor bipolaire en régime dynamique, c'est-à-dire, on va voir comment se comporte le transistor vis-à-vis des variations de tension et de courant qui viennent se superposer aux grandeurs de polarisation. Pour donner une idée sur le fonctionnement d’un transistor en régime dynamique, nous allons étudier à titre d’exemple un amplificateur de tension à base de transistor. Le schéma est donné par la figure suivante :

Figure 56 : Montage Amplificateur à base du transistor NPN. Le montage comporte : •

Un générateur sinusoïdal e avec sa résistance interne rg. Le générateur fournit à l’entrée de l’amplificateur le signal à amplifier.

•

L’étage amplificateur représenté par le transistor NPN avec son circuit de polarisation.

•

La charge RL qui va recueillir le signal à la sortie de l’amplificateur.

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48

Electronique Générale •

ISET Kef

Les capacités C1 et C2 sont des capacités de liaison entre l’amplificateur et les circuits d’entrée et de sortie. Elles servent à séparer les composantes alternatives des composantes continues.

II-Modèles équivalents du transistor 1) Les paramètres caractéristiques

Le transistor bipolaire est un tripôle ; il peut être considéré aussi comme un quadripôle particulier puisqu’il peut être monté en émetteur commun, en collecteur commun ou en base commune, ce que signifie que dans chaque cas, une électrode est mis en commun par rapport à l’entrée et la sortie.

Figure 57 : Montage Base Commune

Figure 58 : Montage Emetteur

Figure 59 : Montage Collecteur

commun

commun

Dans la suite du chapitre, le transistor sera remplacé par un modèle équivalent à quatre paramètres : dit modèle dynamique ou modèle hybride. Il est donc nécessaire de définir les paramètres de ce modèle. D’autre part, pour chacune des trois configurations, on ajoute à ces indices: - b : Pour base commune - e : Pour émetteur commun - c : Pour collecteur commun Remarque :

Pour le régime dynamique, on utilise des indices minuscules (v CE, ic, iB, vBE) alors que les indices majuscules référent aux régime statique (VCE, IC, IB, VBE). 2) Les paramètres hybrides

En régime dynamique, le transistor bipolaire peut être généralement représenté par ses paramètres hybrides hij. Ces paramètres représentent entres les courant et les tensions d’entrée/ sortie. Pour un montage émetteur commun,

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ℎ      = ℎℎ  ℎ  Cette écriture matricielle peut être écrite sous forme d’équation :

 = ℎ + ℎ   = ℎ  + ℎ  3) Modèles équivalents du transistor

Le modèle Basse fréquence est représentée par les paramètres hybrides hij du transistor. Il s’agit d’un modèle purement résistif. C’est pourquoi il n’est valable qu’en basse fréquence.

(a) (b) Figure 60 : Emetteur commun (a)montage, (b) schéma équivalent

(a)

(b) Figure 61 : Base commune (a)montage, (b) schéma équivalent

(b) (a) Figure 62 : Collecteur commun (a)montage, (b) schéma équivalent

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III- Les trois montages fondamentaux 1) Méthode générale du régime dynamique

Un montage amplificateur à transistor comme celui qui vient d’être présenté, est généralement définie par : son gain en tension, son impédance d’entrée et son impédance de sortie. Pour détermine ces paramètres, on passe par le circuit équivalent du montage en régime dynamique. Cette méthode est obtenu en utilisant la méthode générale du dynamique qui consiste à: 



Eteindre toutes les sources de tension et de courant continue en : •

Court-circuiter les sources de tension continue

•

Ouvrir les sources de courant continu

•

Court-circuiter les capacités

•

Ouvrir les inductances

Remplacer le transistor par son modèle équivalent en régime dynamique

2) Montage émetteur commune polarisé par diviseur de tension

Figure 63 : Montage émetteur commun.

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Figure 64 : Circuit équivalent en régime dynamique d’un montage émetteur commun. Ce schéma est obtenu en supposant que RC //R L << h22-1. Supprimons tout d’abord la capacité C B. Impédance d’entrée du transistor :

 () =   = ℎ + ( + 1) = ℎ + ( + 1) . Donc  () = ℎ + ( + 1) Impédance d’entrée du montage :

 (� =

 =  //// ( � = ////(ℎ + ( + 1� � 

Gain en tension

  Or  = ℎ + ( + 1� .  et  = −( // �.

 =

→

 // �.  = ((� 



Découplage de l’émetteur :

On remarque que la présence de la résistance RE fait diminuer le gain de tension. Mais sa présence a aussi un avantage pour polariser correctement le transistor. Donc on place en parallèle à cette résistance un condensateur de forte valeur C B qui se comporte comme court circuit en alternatif et comme impédance infinie en continu. _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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ISET Kef

L’impédance de l’émetteur devient alors

 =  //() ( // ).

  ( // ).    Le gain devient  = = ()  ( �  





 � ≫  Le choit de CB est tel que le gain maximal → 1 ≫ ( � ou encore (    � ≫   Il suffit donc que (  

Impédance de sortie

Compte tenu de la condition de découplage, impédance de sortie est égale

 =

 −( // �. = = ( // �  − 

3) Montage base commune

Pour le montage « base commune », le signal d’entrée est appliqué au niveau de l’émetteur et la sortie au niveau du collecteur. Le transistor est polarisé dans ce montage par pont diviseur pour garantir la stabilité de son fonctionnement. On peut ajouter une capacité de découplage de la base CB. 3.1) Montage sans capacité de découplage

Figure 65 : Montage base commune sans capacité de découplage

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ISET Kef

Figure 66 : Circuit équivalent en régime dynamique Impédance d’entrée du transistor :

 () =   car  = ( + 1)  = ℎ + (//). = ℎ + (//)     ( // ) Donc  () =     L’impédance d’entrée du transistor à base commune est ( β+1) plus faible que celle du transistor à émetteur commun. Impédance d’entrée du montage :

 () =  =  // () =  //(ℎ +(+1//)) De même L’impédance d’entrée du montage du transistor à base commune reste plus faible que celle du transistor à émetteur commun. Gain en tension

 =  Or  = ℎ + ( // ). et  = ( // ).  =  .((////)) →

Le gain base commune est le même que celui de l’émetteur commun. Mais il est positif. Impédance de sortie

L’impédance de sortie :

 =  = (// )

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ISET Kef

Conclusion : •

Le montage base commune est un amplificateur de tension. Il a un gain en tension positif. C’est-à-dire n’inverse pas la phase.

•

Son utilisation est délicate à cause de son impédance d’entrée qui est relativement faible (de quelques ohms à des dizaines d’ohm). Il n’est donc adapté qu’à des sources de tension ayant des impédances internes très faibles.

3.2) Montage avec capacité de découplage

Si on ajoute une capacité de découplage de la base, le montage devient :

Figure 67 : Montage base commune avec capacité de découplage

Figure 68 : Circuit équivalent en régime dynamique _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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ISET Kef

Impédance d’entrée du transistor :

 () =  = ℎ +1

L’impédance d’entrée du transistor à base commune est faible avec et sans la capacité de découplage. Impédance d’entrée du montage :

 () =  =  // () =  // ℎ +1 Gain en tension

  Or  = ℎ .  et  = ( // �.

 =

→

 = .(// � 

Le gain base commune est fortement atténué par la présence des capacités de découplage. Impédance de sortie

L’impédance de sortie :

 =   = ( // � 

Condition de découplage de la base

En présence de la capacité CB, le gain en tension s’écrit : .( // �  ( //// �

 = 

avec  est l’impédance de la capacité de CB.

Pour remettre le gain en tension à la valeur  =

.(// � , 

il faut que

ℎ ≫ (//// � Pour cela, il suffit ℎ ≫  

ℎ ≫  

→





La valeur de la capacité CB qu’il faut choisir doit satisfaire la condition :  ≫    C’est la condition de découplage recherchée.

→

4) Montage collecteur commun 4.1)

Montage en régime statique

Pour le montage « collecteur commun» ou encore appelé « émetteur suiveur », le signal d’entrée est appliqué au niveau de la base et la sortie au niveau de l’émetteur. Le transistor est polarisé dans ce montage par pont diviseur pour garantir la stabilité de son fonctionnement. Si de plus on pose (RC=0), le montage devient alors : _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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ISET Kef

Figure 69 : Montage collecteur commun en régime statique 4.2)

Circuit équivalent en régime dynamique

Figure 70 : Circuit équivalent collecteur commun en régime dynamique

Impédance d’entrée du transistor :

 () =   = ℎ + ( //).( +1) = ℎ + ( //).( +1) Donc  () = ℎ + ( // ).( +1) _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

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ISET Kef

Si on compare l’impédance d’entrée du transistor à collecteur commun avec celle des montages émetteur commun et base commune calculée précédemment, on remarque qu’elle est la plus élevée. Donc le montage collecteur commun se comporte comme un multiplicateur d’impédance, en fait, il multiplie l’impédance de l’émetteur par un facteur  . Impédance d’entrée du montage :

 =   //// ( � = ////(ℎ + ( // �.( + 1�  Or ℎ ≪ ( // �. ( + 1� Donc  (� =  // //( // �.( + 1�  (� =

Malgré la chute de la résistance par l’ajout des résistances de base RB1 et RB2, l’impédance d’entrée du montage collecteur commun est la plus élevée que celles des autres montages. Gain en tension

 = Or

→

 

 = (ℎ + ( // �. ( + 1��.  et  = ( // �. ( + 1�  = 

( // �.(� ≈ ( // �.(�

   (//�.(�

≈1

A cause de son gain presque unitaire, le montage collecteur commun est appelé : émetteur suiveur : la sortie recopie l’entrée. En fait, le signal recueilli sur l’émetteur, est pratiquement transmit à la sortie Gain en puissance

Le gain en puissance d’un montage amplificateur est donnée par :

 =  ou  et  sont respectivement les puissances de sortie et d’entrée. 

D’une part,  =  .  et puisque  = (ℎ  + ( // �. ( + 1��.  On a  = (ℎ + ( // �. ( + 1��.   D’autre part  =  .  =  . ( + 1� et puisque  = (  // �.( + 1� On a  = ( // �.( + 1�  

( // �.(� ( // �. Et par suite  = car  ≫ 1 = ( ( // �.(�� ( ( // �.� De plus ℎ ≪ ( // �.  donc  ≅ 

_______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

58


ISET Kef On peut conclure que le montage collecteur commun apporte un gain en puissance égale à β fois la

puissance d’entrée du montage. Impédance de sortie

On applique du théorème de Thévenin sur le montage de la figure suivante, sans charge RL. L’application du théorème de Thévenin aux bornes de la résistance RL conduit, en l’absence de celle-ci, au circuit équivalent donnée par la figure suivante:

Figure 71 : Circuit équivalent en régime dynamique, collecteur commun, application de théorème de Thévenin pour le calcul de l'impédance de sortie

Figure 72 : Montage Thévenin équivalent de la figure ci-dessus. L’impédance de Thévenin est égale à:

 = ℎ + (////) Or  ≪  // donc  = ℎ +  La tension de sortie du circuit équivalent de Thévenin est égale à:

 =  −  _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

59


ISET Kef

Pour déterminer l’impédance de sortie Zo aux bornes de RE, il faut établir une équation de la forme

 =  −   .

Pour y parvenir, il suffit d’exprimer le courant i B en fonction du courant i O, Or

  =  = ( + 1) d’où  = ( )

 =  −    =  −   =  −  ()      Par identification,  =  = () () Et part la suite

En remettant RE à sa place, nous aurons

  = ()

 =  // () et puisque  ≫ (), on a alors

Cette impédance est relativement faible, elle ne dépasse pas quelques dizaines d’ohm et elle dépendante de l’impédance interne du générateur rg. Conclusion

Le montage à collecteur commun a une impédance d’entrée élevée, un gain en tension presque unitaire, un gain en puissance élevé et une impédance de sortie faible . Ce montage est

alors utilisé comme amplificateur de puissance ou comme un étage d’adaptation en impédance.

_______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

60


ISET Kef



1) Quel est le nom de ce montage ? 2) Déterminer l’expression de : •

gain en tension

•

gain en courant

•

l’impédance d’entrée

•

l’impédance de sortie

Exercice 2 :


1) Quel est le nom de ce montage ? _______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

61


ISET Kef

2) Sans capacité de découplage Déterminer l’expression de : •

gain en tension

•

gain en courant

•


•


3) Refaire la question 2 mais maintenant avec capacité de découplage Exercice 1 :


1) Quel est le nom de ce montage ? 2) Déterminer l’expression de : •

gain en tension

•

gain en courant

•


•


_______________________________________________________________________________ Noura Issaoui

62


ISET Kef

Chapitre 5 : Les transistors à effet de champ I- Présentation Un transistor à effet de champ est un composant semi-conducteur (qui conduit sur commande) comme c’est le cas pour un transistor bipolaire. Un transistor à effet de champ à jonction, se nomme TEC en français et JFET en anglais [Junction Field Effect Transistor]).

II- Transistor JFET Le JFET est un transistor contrôlé à l’aide d’une tension (champ électrique) la forme et donc la conductivité d’un canal dans le matériau semi-conducteur. Le transistor est composé : 

une électrode qui injecte les porteurs dans la structure : la source (Source).



une électrode qui recueille les porteurs : le drain (Drain).



une électrode ou est appliqué la tension de commande : la grille (Gate).

Il est constitué d'un barreau semi-conducteur uniformément dopé (de type P ou N), constituant le canal. 1) JFET de type canal N

(a) Structure

(b) symbole

Figure 73 : JFET de type canal N Sens du courant : drain →source, donc le drain est à un potentiel positif par rapport à la source => VDS > 0 V. La jonction grille canal est polarisée en inverse donc la grille doit être à un potentiel négatif par rapport à la source => V GS < 0 V.

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2) JFET de type canal P

(a) Structure

(b) Symbole

Figure 74 : JFET de type canal P Sens du courant : source →drain, donc le drain est à un potentiel négatif par rapport à la source => VDS < 0 V La jonction grille canal est polarisée en inverse donc la grille doit être à un potentiel positif par rapport à la source => V GS > 0 V. On considère que la commande de ce type de transistor à effet de champ se fait par l'application d'une tension Grille Source : 

VGS négative dans le cas d'un type N,



VGS positive dans le cas d'un type P. L'espace drain-source reçoit une tension de polarisation (tension VDS).

Remarque:

En fonctionnement normal, la jonction Grille-Canal est polarisée en inverse : Le courant d’entrée IG est donc négligeable. Le courant de Drain et de Grille sont donc identiques (I D = IS = Courant du canal). 3) Principe de fonctionnement 3.1) 

En absence de tension VGS

Le canal drain-source conduit proportionnellement avec l’augmentation de la tension V DS (Le transistor se comporte comme une résistance) [Zone Ohmique]



Pour une certaine valeur de V DS, le courant de drain ID cesse de croître et devient constant. C'est la tension de pincement ou Vp (tension de pinch-off) qui correspond au courant de saturation ID que l’on appelle IDSS [Zone de saturation]

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Figure 75 : Courbe I D=f(VDS) à VGS=0 3.2)

En présence d’une tension V GS

Si maintenant on applique une tension V GS à l'espace grille-source (polarisation de la jonction en inverse) et que l'on relève, comme précédemment, la valeur de ID en fonction de VDS, on constate pour ce courant, des valeurs plus faibles. La tension Vp est atteinte plus tôt et correspond à un courant ID moins élevé que IDSS. Cette nouvelle tension Vp' est égale à : Vp' = Vp - V GS Plus VGS augmente, plus le courant I D diminue. A partir d'un certain seuil de VGS, le courant ID s'annule.

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Figure 76 : Courbe I D=f(VDS) en présence d’un V GS. On considère généralement que le courant I D devient égal à zéro pour : V GS = Vp. Tout se passe comme si le champ électrique, créé par la tension de polarisation inverse de la jonction grille-source, diminuait la largeur de conduction du canal (effet de pincement du canal). → C'est la zone de déplétion ou d'appauvrissement. 3.3)

Le phénomène d’avalanche

Le phénomène d’avalanche est destructeur pour le transistor. Il s’agit en fait de la destruction de la jonction Drain-Grille. [Zone d’avalanche]. Il est caractérisé par une tension d’avalanche noté BVDG [Break-Down Voltage Drain Grille] Cette tension est donnée pour la relation suivante : BVDG = VDS + VGS.

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Figure 77 : Pincement du canal Ordre de grandeur : 

Selon les types de transistors, Vp s'échelonne entre 0,5 et 15 volts.



La tension BVDG varie entre 3 et 25 fois Vp, toujours en fonction du t ype de transistor.

Utilisation du transistor JFET

Le même principe qu’un transistor bipolaire utilisé en commutation, le transistor à effet de champ peut se comporter comme un interrupteur commandé en tension.

III- Transistor M.O.S Un transistor M.O.S. (Métal-Oxyde Semi-conducteur) est un transistor de type « à effet de champ». La différence avec le JFET consiste en l’absence d’une jonction entre la Grille et le canal. En effet une couche de Métal+Oxyde isole la grille du canal. Il existe trois types de transistors M.O.S. Ceux dont le canal est à appauvrissement et ceux dont le canal est à enrichissement sous l’effet de la tension VGS et un dernier type qui est la combinaison des deux.

Figure 78 : La couche de Métal+Oxyde entre la grille et le canal d’un transistor MOS.

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1) Les transistors M.O.S à enrichissement

L’application d’une tension V GS positive permet de créer un canal entre le Drain et la Source laissant le passage à un courant ID. Aux variations de la tension VGS correspondent des variations du courant ID. En absence de tension VGS, le courant ID est quasi nul.

Figure 79 : Structure d’un transistor MOS à enrichissement de type N

2) Les transistors M.O.S à appauvrissement

En absence d’une tension VGS, le transistor est conducteur JFET. En effet il existe dans ce cas un canal en absence de tension VGS qui conduit le courant I D. L’application d’une tension V GS Négative permet d’appauvrir le canal qui devient moins conducteur jusqu’à le bloquer complètement.

Figure 80 : Structure d’un transistor MOS à appauvrissement de type N

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Electronique Générale 3) Les transistors M.O.S à enrichissement et appauvrissement

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Ce type de transistor à effet de champ fonctionne selon les deux modes (effets combinés): 

Enrichissement,



Appauvrissement.

Par conception, ce transistor est légèrement conducteur (canal mince) pour une tension VGS=0. Une tension VGS Positive aura un effet d’enrichissement du canal (plus conducteur). Une tension VGS Négative aura un effet d’appauvrissement du canal (moins conducteur) .

Figure 81 : Caractéristique d’un transistor M.O.S à enrichissement ET appauvrissement

IV- Symboles des transistors JFET et M.O.S Ci-dessous la représentation symbolique des différents types de transistors à effet de champ.

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Figure 82 : Symboles des différents types de transistor à effet du champ

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On admettre que

 = .(1− ) pour un JFET du canal N.

Soit le montage de polarisation automatique du transistor à effet de champ suivant:

1. Sachant que IDSS = 5 mA, Vp = 2V, déterminer le point de fonctionnement du montage si : a) RS = 100 W b) RS = 1 kW. 2. Déterminer la valeur de RS pour avoir ID = 2 mA. Exercice 2 :

On polarise un transistor à effet de champ au moyen de trois résistances R1, R2 et RL.

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Le réseau de caractéristiques du transistor est le suivant :

1) Ecrire l’équation de la droite de charge du transistor ID = f(VDS). 2) Tracer la droite de charge passant par le point ID = 4 mA, V DS = 0 V. Choisir le point de fonctionnement au milieu de la zone utilisable. En déduire la valeur de la tension V GS. 3) En déduire la valeur de RL. 3) Déterminer le rapport x = R1/ R2 des résistances de polarisation. Calculer R1 en sachant que R2 = 120 kΩ.

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3.Cours Électronique Générale 1

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