E4 DIODES ET TRANSISTORS

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E4
DIODES ET TRANSISTORS
I. INTRODUCTION
Dans cette expérience, nous allons étudier deux éléments qui sont à la base de la majorité
des montages électroniques modernes; la diode et le transistor. Ces éléments sont formés de
matériaux semiconducteurs et se caractérisent entre autre par leur non-linéarité, c'est-à-dire
que pour une fréquence donnée leur impédance dépend du courant. Le but de cette
expérience est de donner une description simple de ces deux éléments et de se familiariser
avec quelques applications.
II. THEORIE
Les semiconducteurs, parmi lequel le silicium est le plus connu, présentent des propriétés
électroniques à mi chemin entre celles des isolants et des métaux. Les phénomènes de
conductions électriques mettent en jeu les électrons des couches externes des éléments
constituants le matériaux. Pour un atome isolé, il existe une répartition discrète des niveaux
d’énergie des électrons, chaque niveau pouvant être occupé au maximum par deux électrons
avec des spins opposés représentés par des flèches vers le haut ou vers le bas car un
principe fondamental de la physiques du solide (principe d’exclusion de Pauli) interdit à
deux électrons d’être dans le même état.
atome isolé
cristal : arrangement régulier
1s 2s 2p
1s 2s 2p
1s 2s 2p
1s 2s 2p
1s 2s 2p
1s 2s 2p
1s 2s 2p
1s 2s 2p
1s 2s 2p
1s 2s 2p
niveaux d’énergie
Bandes d’énergie
2p
2s
bande interdite
1s
Figure 1.
Un matériau réel est constitué d’un très grand nombre d’atomes (6.02.1023 at/mole) et il y a
donc un très grand nombre d’électrons issus des mêmes niveaux atomiques qui aimeraient
avoir une énergie identique. Pour respecter le principe de Pauli, tous ces niveaux d’énergie
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vont se distribuer dans un intervalle d’énergie plus ou moins large suivant les interactions
entre les atomes et une bande. Entre les bandes, il existe une zone d’énergie interdite. D’une
manière simplifiée, on peut voir les bandes comme une réminiscence des niveaux discrets
d’énergie, chaque bande étant séparée de la suivante par une zone d’énergie interdite
appelée gap comme indiqué sur la figure 1. Ces zones d'énergie interdite et le taux de
remplissage des bandes joue un rôle fondamental dans les propriétés électriques du
matériau.
Pour avoir un courant électrique, il faut avoir des porteurs de charge (électrons) qui puissent
se déplacer. Si une bande est vide, il n’y donc pas de courant associé à cette bande. Mais si
une bande est complètement remplie, il n’y a également pas de courant associé à cette
bande. Pour visualiser ce phénomène, considérons le cas d’un parking à deux étages comme
illustré sur la figure 2.
Figure 2a
Premier niveaux complet et deuxième niveau vide.
Il est impossible de déplacer un vehicule.
Figure 2b
Un trou au premier niveau et une voiture au deuxième.
Il est possible de déplacer les véhicules
Figure 2.
A l’image des voitures dans un parking, pour pouvoir déplacer les électrons il faut des états
libres. Ainsi, lorsque l’on remplit les bandes avec les électrons on peut obtenir deux
situations extrêmes suivant l’occupation des états dans la dernière bande d’énergie
contenant des électrons.
Elle est incomplètement remplie. Il y existe donc des états libres permettant ainsi aux
électrons de se déplacer. C’est le cas des métaux (Figure 3a).
Elle est complètement remplie. Il n’y a donc plus d’états de libres et aucun
mouvement n’est possible. C’est le cas des isolants (Figure 3c).
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Isolant à température nulle
Bande de
conduction
Grand gap
Petit gap
Bande de
valence
a) Métal
b) Semi-conducteur
c) Isolant
Figure 3.
Néanmoins, si le gap d’énergie entre la bande remplie (appelée bande de valence) et la
bande suivante (bande de conduction) est petit (environ 1eV), il est possible d’avoir un
nombre non négligeable d’électrons qui, sous l’action de l’agitation thermique, vont sauter
de la bande de valence vers la bande de conduction. La figure 4b montre une telle situation
où des électrons sont présents dans la bande de conduction et simultanément ont laissé des
trous dans la bande de valence. Il y a donc maintenant deux types de porteurs de charge; des
électrons dans la bande de conduction et des trous dans la bande de valence. Le nombre de
porteurs de charge dépendra fortement de la température et de la valeur du gap. Pour le
silicium à 300K, on a environ 1010 électrons/cm3 (et donc trous) soit environ 1013 fois moins
que pour le cuivre (1023 électrons/cm3). C’est pour cette raison que cette classe de
matériaux est appelée semiconducteur.
Dopage des semiconducteurs
Il est connu que les semiconducteurs sont extrêmement sensibles aux impuretés et qu’une
propreté presque absolue est nécessaire pour la réalisation des dispositifs à
semiconducteurs. En effet, en introduisant des impuretés dans un cristal semiconducteur, on
va très rapidement modifier le nombre de porteurs de charges si l’impureté introduite a un
nombre différent d’électrons sur les couches externes. Dans le cas du silicium qui est un
élément tétravalent (4 électrons/atome) on réalise le dopage avec soit des impuretés
pentavalentes (5 électrons) telle que le phosphore ou trivalentes (3 électrons) tel que le
bore. La figure 4a et c illustre l’effet de l’addition de ces impuretés. Avec le phosphore (P),
nous avons un électron supplémentaire par atome d’impureté et donc la bande de
conduction se remplit avec ces porteurs et l’on parle de semiconducteur de type N. Avec le
bore (B), il manque un électron par atome d’impureté. Cela crée donc des trous dans la
bande de valence et l’on parle de semiconducteur de type P. On observe que pour les
semiconducteurs dopés les densités de porteurs positifs et négatifs diffèrent. On introduit
alors la notion de porteurs minoritaires et majoritaires. Pour un semiconducteur de type N,
les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous des porteurs minoritaires, alors que
pour un semiconducteur de type P les trous sont des porteurs majoritaires et les électrons
des porteurs minoritaires.
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Si+4
Si+4
Si+4
Si+4
Si+4
Si+4
trou
P+5
Si+4
électron
Si+4
Si+4
B +3
Si+4
a) Semiconducteur type
N
n électron > ntrou
Si+4
Si+4
b) Semiconducteur
intrinsèque
n électron = ntrou
Si+4
c) Semiconducteur type
P
n électron < ntrou
Figure 4.
A) LA DIODE
On appelle diode un élément électronique qui ne laisse passer le courant que dans un sens.
La résistance est pratiquement nulle dans le sens de passage, et très grande dans l'autre sens.
La figure 5 représente la caractéristique courant-tension d'une diode idéale.
I
I
V
V
Figure 5.
Une diode semiconductrice est formée de deux semiconducteurs, un de type N et l'autre de
type P. A la jonction entre les deux types de semiconducteur, la différence de concentration
des trous (et des électrons) entre les zones N et P est très grande. Ceci n’est pas une
situation d’équilibre naturel, et les porteurs majoritaires de la zone N (électrons) et de la
zone P (trous) vont diffuser au travers de la jonction, pour atténuer cette forte variation
locale de concentration, comme indiqué sur la figure 6.
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E
_ _
___
_
___
_ _
___
_
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Type N
Type P
Type N
Type P
__
_
Zone
neutre Zone de charge
d’espace
Figure 6.
Zone
neutre
Figure 7.
En quittant le zone N, les électrons vont laisser des charges fixes positives dans cette région
et similairement le départ des trous de la zone P laissera des charges fixes négatives. Ceci
crée une distribution de charge d’espace qui engendrera un champ électrique (Fig. 7) qui
s’opposera au courant Is des porteurs majoritaires (trous et électrons) au travers de la
jonction, alors qu’il favorisera le courant Io lié aux porteurs minoritaires crées par des
excitations thermiques. Ces deux courants s’annulent (Is = Io) lorsque aucune tension est
appliquée aux bornes de la diode. Avec une tension inverse (Vinverse), la zone de charge
d’espace va croître et le courant majoritaire Is va rapidement diminuer pour devenir
complètement négligeable si la tension inverse est suffisamment élevée. Le seul courant qui
reste est donc le courant minoritaire. Ce courant ne dépend que de la température et ne
dépend donc pas de la tension appliquée. On appelle ce courant très faible, le courant de
fuite, et il varie exponentiellement avec la température T comme:
Eg
I 0 = A ⋅ Exp( −
k BT
)
Is
-
Type P
-
-
-
-
+ +++
+ +++
+ +++
+ +++
Io
V
Figure 8.
Type N
+
78
La figure 9 montre le cas où l’on applique une tension directe (V>0); la barrière de potentiel
de la jonction diminue, et IS augmente exponentiellement avec la tension:
I(V) = Is − Io
et
 eV 
Is = Io Exp 

 k BT 

 eV  
 eV 
I(V) = Io  Exp 
 − 1 ≈ Io Exp 

 k BT  
 k BT 

pour eV>>k BT
où e est la charge de l'électron et kB est la constante de Boltzmann.
Is
+
-
Type P
+
+
+
+
Type N
-
V
Figure 9.
La figure 10 représente la caractéristique I = f(V) d'une diode semiconductrice.
I
I
1 mA
1 nA
V
V
Io
V
F
VF
: tension de seuil
Io
Figure 10.
: courant de fuite
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APPLICATIONS
a) Redresseur une alternance
Une des applications les plus répandues des diodes est leur utilisation pour générer des
tensions continues à partir d'un tension alternative. La figure 11 montre un circuit
redresseur simple alternance.
VR
A
V0 - Vseuil
RL
V(t)
t
B
V(t) = Vo sin(ωt)
Figure 11.
Figure 12.
La figure 12 représente la tension de sortie du circuit redresseur simple alternance.
b) Redresseur deux alternances
Le montage décrit sur la figure 13 nécessite quatre diodes et permet de profiter des deux
alternances pour réaliser la fonction de redressement. Pendant la demi-période positive, le
courant passe par D2 la résistance de charge RL et D4. Pendant la demi-période négative, le
courant passe par D1 la résistance de charge RL et D3. On observe que le courant circule
toujours dans le même sens dans la résistance de charge RL. La figure 14 montre la tension
aux bornes de la résistance RL qui est toujours du même signe (positive dans ce cas).
V(t) =V osinωt
D1
VR
D2
Vmax =Vo -2 Vseuil
RL
D4
VR
D3
t
Figure 13.
Figure 14.
c) Filtre capacitif
Que ce soit avec un redresseur à une ou deux alternances, on n'obtient pas une tension
continue, mais juste une tension qui ne change plus de signe. Pour atténuer ces variations de
la tension aux bornes de RL, on peut ajouter un condensateur en parallèle avec RL. Le
80
condensateur se charge à la première valeur de crête pendant le cycle montant d'une demi
période, puis se décharge tant que la tension du générateur est inférieure à la tension aux
bornes du condensateur. La tension de décharge ne dépend que de RL et C et s'écrit :

t 
Vc (t) = Vo Exp  −

 R LC 
V0 e
VAB
(- t/R C)
L
A
V(t)
+
RL
C
-
t=0
t
B
sin( ωt)
Figure 15.
Figure 16.
Avec un redresseur à deux alternances, le temps de décharge est divisé par 2, car lors de
chaque demi période la capacité peut se recharger. Ainsi l'ondulation résiduelle de la
tension quasi-continue est plus faible.
B) LE TRANSISTOR
Un transistor est composé de deux jonctions np pour former un élément npn ou pnp. Le
fonctionnement des transistors npn ou pnp est identique, seules les polarités changent de
signe.
E
E élevé
N
P
N
électrons
accélérés
électrons
diffusant
électrons
injectés
E
électrons
collectés
C
électrons se
recombinant
dans la base
trous
injectés
IE
B
zone
de
commande
- +
zone
d’accélération
IB
VBB
- +
VCC
Figure 17.
IC
81
Suivant le montage schématisé sur la figure 17, on définit la base, l'émetteur et le collecteur.
Une faible tension positive est appliquée à la base. La jonction émetteur-base (EB) est
polarisée en sens direct et conduit. Aussitôt arrivés dans la base, une grande partie des
électrons injectés depuis l'émetteur sont captés par le champ électrique de la zone du
collecteur. Le courant de la base joue le rôle de commande sur le transistor et il est
beaucoup plus petit que celui de l'émetteur ou du collecteur.
Fonctionnement du transistor
Dans les schémas, on symbolise les deux types de transistors de la manière suivante :
C
C
B
B
E
E
PNP
NPN
Figure 18.
Le schéma de la figure 19 représente un transistor alimenté avec une résistance de charge
RL à la sortie.
RL
IB
B
IC
C
E
VBB
+
VCE
VBE
+
IE
VCC
Figure 19.
Le fonctionnement électrique du transistor est complètement défini par les 4 grandeurs IC:
courant de collecteur; IB: courant de base; IC: courant de collecteur; VCE: tension
collecteur-émetteur; VBE: tension base-émetteur . Le paramètre le plus important est
∆I
l’amplification en courant du transistor défini par : h FE = C
∆I B
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APPLICATIONS
a) Amplificateur BF (basse fréquence)
Comme nous l'avons déjà vu, une petite variation de la tension VBE provoque une variation
de courant du collecteur. Nous allons donc introduire notre signal sur la base et le recueillir
sur le collecteur. Afin d'éliminer toute composante continue du signal, nous plaçons un
condensateur C1 à l'entrée et un condensateur C2 sur le circuit de sortie.
VCC
RC
R1
C1
V1
C2
R2
RE
V2
RL
Figure 20.
On ajuste la polarisation de la base par le diviseur R1 et R2. La tension de sortie est prise
sur le collecteur, elle représente les variations de IC à travers RC. Si la résistance de charge
RL est grande par rapport à RC, nous obtenons pour le gain en tension :
V2
V1
= -
RC
RE
Le signe (-) de la formule du gain signifie que la tension UCE diminue quand la tension UBE
augmente, la tension a été déphasée de 180°.
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MANIPULATIONS
Dans le menu principal, nous vous demandons d'indiquer vos noms et prénoms. Une fois
ceci effectué vous voyez apparaître deux groupes d'expériences: diodes ou transistors
A) DIODE
1. Caractéristique I-V des diodes
- Sélectionner l'option "caractéristique I-V " et un écran expliquant le montage apparaît.
- Réaliser le montage ci-dessous et demander l'écran suivant.
A
R
Source de
tension
U
Figure 21a Schéma pour la mesure de la caractéristique de la diode
mA
V
Voltmètre 1
Résistance 1K Ω
Diode Silicium
Sortiie 1
S
Ampèremètre 1
Figure 21b Réalisation du montage de la figure 21a sur la platine
- Mesure les caractéristiques I = f(V) des quatre diodes à disposition. La tension aux
bornes de la diode est portée horizontalement et le courant est porté verticalement.
- Imprimer le graphique.
-
Pour chaque diode, déterminer la valeur de la tension de seuil VF, et leur résistance
interne r. Comparer ces diodes.
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2. Courant de fuite d’une diode (Uniquement pour les physiciens)
- Sélectionner l'option "Courant de fuite " et un écran expliquant le montage apparaît. Ce
circuit est identique à celui de la figure précédente sauf que l'on ajoute un élément de
chauffage pour mesurer le courant de fuite à plusieurs températures.
- Réaliser le montage ci-dessous et demander l'écran suivant.
Courant de fuite d’une diode
µA
S
Chauffage
Chauffage
Diode Silicium
V
Voltmètre 1
S
Résistance 1KΩ
Sortie 1
Ampèremètre 1
Figure 22 Réalisation sur la platine du montage pour la mesure du courant de fuite d'une
diode
- Mesurer un premier courant de fuite à température ambiante. Ce courant très petit
permet de fixer le zéro .
- Mesurer 3 courants de fuite à des températures de 50°C, 70°C et 90°C.
- Imprimer le graphique.
- Prendre, pour une tension de -5V, les valeurs mesurées pour le courant de fuite et porter
Ln(Io) en fonction de 1/T.
- Déterminer la bande interdite Eg. Est-ce que ce résultat dépend de la tension aux bornes
de la diode?
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3. Redresseur une alternance
- Sélectionner l'option "Redresseur une alternance " et un écran expliquant le montage
apparaît.
- Réaliser le montage de la figure 15 dont la description sur la platine est donné ci-dessous
et demander l'écran suivant.
Redresseur à une alternance
V
Voltmètre 1
µ
F
Ω
Capacité 100
Résistance 100K
Sortiie 1
S
Diode Silicium
Figure 23 Schéma pour un redresseur à une alternance
- Effectuer une mesure sans capacité puis deux mesures avec des capacités de 10µF et
100µF. En cochant la première case vous pouvez afficher la tension du générateur.
- Imprimer vos mesures.
- Estimer la tension d'ondulation pour C=10µF et 100µF et vérifier qualitativement que la
tension décroît avec une constante de temps RLC.
86
4. Redresseur deux alternances
V
Voltmètre 2
µ
F
Ω
Capacité 100
Résistance 100K
Sortie
Entrée
S
Sortiie 1
Redresseur à deux alternances
Figure 24 Schéma pour un redresseur à deux alternances
- Sélectionner l'option "Redresseur à deux alternances " et un écran expliquant le montage
apparaît.
- Réaliser le montage de la figure 13 dont la description sur la platine est donné ci-dessus
et demander l'écran suivant.
- Effectuer une mesure sans capacité puis deux mesures avec des capacités de 10µF et
100µF. En cochant la première case vous pouvez afficher la tension du générateur.
- Imprimer vos mesures.
- Vérifier que la tension d'ondulation avec C=100µF est environ deux fois plus faible que
pour le redresseur à une alternance.
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B) TRANSISTOR
1. Caractéristiques
Pour mesurer les caractéristiques I C ( VCE ) I B=cte
et
I C (I B ) V
CE = cte
nous devons mesurer
simultanément les courants de base IB et de collecteur IC ainsi que la tension VCE. Ceci se
réalise avec le schéma de principe illustré sur la figure 25a et le montage expérimental sur
la platine est donné sur la figure 25b.
IC
A
C
B
A
V1
+
-
E
VCE
IB
V2
V
+
-
V1 et V2 sont des sources ajustables de tension continue
Figure 25a. Montage pour déterminer les caractéristiques d'un transistor NPN
Caractéristique d’un transistor
µA
mA
Ampèremètre 1
Ampèremètre 2
Transistor NPN
IC
IE
Figure 25b. Réalisation du montage de la figure 25a sur la platine
S
Sortiie 2
V
Emetteur
Voltmètre 1
S
Sortiie 1
Collecteur
Base
IB
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Mesurer la caractéristique IC en fonction de IB avec différentes valeurs de VCE.
Calculer le paramètre h FE =
∆I C
donnant l'amplification en courant de ce transistor.
∆I B
Pour les physiciens uniquement: Mesurer la caractéristique IC en fonction de VCE avec
différentes valeurs de IB. Comparer cette caractéristique avec celle obtenue précédemment.
2. Amplification : Monter le circuit schématisé sur la figure 26a.
10k Ω
VC
V
C
B
+
-
V
E
Vo
+
-
1k Ω
VE
V
Vo est une tension de commande ajustable
V est une tension d’alimentaion constante
Figure 26a. Schéma de principe pour un amplificateur à transistor
Ω
V
Voltmètre 2
V
Voltmètre 1
Résistance 10K
Amplificateur à transistor
Transistor NPN
IC
Collecteur
Base
IB
Emetteur
Ω
S
Figure 26b. Réalisation du montage de la figure 26a sur la platine de mesure.
Sortiie 2
Résistance 1K
S
Sortiie 1
IE
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Mesure statique
Mesurer les tensions VC et VE en fonction de Vo.
Tracer les graphiques VC et VE en fonction de Vo.
Calculer l'amplification du signal obtenu sur l'émetteur
Calculer l'amplification du signal obtenu sur le collecteur.
Discuter ces deux résultats.
Mesure en alternatif
Fixer une tension Vo appropriée pour réaliser une amplification.
Enregistrer le signal de sortie sur le collecteur pour plusieurs tensions d'entrée Vo.