DIODES ET TRANSISTORS

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1 73 E4 DIODE ET TRANITOR I. INTRODUTION 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. es éléments sont formés de matériaux semiconducteurs et se caractérisent entre autre par leur nonlinéarité, c'estàdire 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 andes d énergie 2p 2s bande interdite 1s Figure 1. Un matériau réel est constitué d un très grand nombre d atomes ( 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

2 74 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. es 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. i 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. 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. est le cas des isolants (Figure 3c).

3 75 Isolant à température nulle ande de conduction ande de valence Petit gap Grand gap a) Métal b) emiconducteur 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 1e), 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 électrons/cm 3 (et donc trous) soit environ fois moins que pour le cuivre (10 23 électrons/cm 3 ). 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 (), il manque un électron par atome d impureté. ela 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.

4 76 i4 i4 i4 i4 i4 i4 trou P5 électron i4 3 i4 i4 i4 i4 i4 i4 a) emiconducteur type N n électron > n trou b) emiconducteur intrinsèque n électron = n trou c) emiconducteur type P n électron < n trou A) LA DIODE Figure 4. 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 couranttension d'une diode idéale. I I 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. eci 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.

5 77 Type P _ Type N Type P E _ Type N Zone neutre Zone de charge d espace Zone neutre Figure 6. 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. eci crée une distribution de charge d espace qui engendrera un champ électrique (Fig. 7) qui s opposera au courant I s des porteurs majoritaires (trous et électrons) au travers de la jonction, alors qu il favorisera le courant I o lié aux porteurs minoritaires crées par des excitations thermiques. es deux courants s annulent (I s = I o ) lorsque aucune tension est appliquée aux bornes de la diode. Avec une tension inverse (inverse), la zone de charge d espace va croître et le courant majoritaire I s va rapidement diminuer pour devenir complètement négligeable si la tension inverse est suffisamment élevée. Le seul courant qui reste est donc le courant minoritaire. e 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: E g I = A Exp( ) 0 k T Is Type P Type N Io Figure 8.

6 78 La figure 9 montre le cas où l on applique une tension directe (>0); la barrière de potentiel de la jonction diminue, et I augmente exponentiellement avec la tension: e = = I() Is I o et Is IoExp k T e e I() = Io Exp 1 IoExp pour e>>k T kt kt où e est la charge de l'électron et k est la constante de oltzmann. Type P Is Type N Figure 9. La figure 10 représente la caractéristique I = f() d'une diode semiconductrice. I 1 ma I 1 na F Io F : tension de seuil I o : courant de fuite Figure 10.

7 79 APPLIATION 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. A R 0 seuil (t) R L t (t) = o 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 demipériode positive, le courant passe par D 2 la résistance de charge R L et D 4. Pendant la demipériode négative, le courant passe par D 1 la résistance de charge R L et D 3. On observe que le courant circule toujours dans le même sens dans la résistance de charge R L. La figure 14 montre la tension aux bornes de la résistance R L qui est toujours du même signe (positive dans ce cas). (t) = o sinωt D 1 D 2 R max = o 2 seuil R L R D4 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 R L, on peut ajouter un condensateur en parallèle avec R L. Le

8 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 R L et et s'écrit : t c(t) = o Exp R L A A 0 e (t/r L ) (t) R L t=0 t 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 quasicontinue est plus faible. ) LE TRANITOR 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 injectés électrons diffusant électrons accélérés électrons collectés E électrons se recombinant dans la base I E zone de commande trous injectés zone d accélération I I Figure 17.

9 81 uivant 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 émetteurbase (E) 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 : PNP E NPN E Figure 18. Le schéma de la figure 19 représente un transistor alimenté avec une résistance de charge R L à la sortie. R L I E I E E I E Figure 19. Le fonctionnement électrique du transistor est complètement défini par les 4 grandeurs I : courant de collecteur; I : courant de base; I : courant de collecteur; E : tension collecteurémetteur; E : tension baseémetteur. Le paramètre le plus important est I l amplification en courant du transistor défini par : h FE = I

10 82 APPLIATION a) Amplificateur F (basse fréquence) omme nous l'avons déjà vu, une petite variation de la tension E 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 1 à l'entrée et un condensateur 2 sur le circuit de sortie. R1 R R2 RE 2 RL Figure 20. On ajuste la polarisation de la base par le diviseur R 1 et R 2. La tension de sortie est prise sur le collecteur, elle représente les variations de I à travers R. i la résistance de charge R L est grande par rapport à R, nous obtenons pour le gain en tension : 2 1 = R R E Le signe () de la formule du gain signifie que la tension U E diminue quand la tension U E augmente, la tension a été déphasée de 180.

11 83 MANIPULATION 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. aractéristique I des diodes électionner l'option "caractéristique I " et un écran expliquant le montage apparaît. Réaliser le montage cidessous et demander l'écran suivant. ource de tension A R U Figure 21a chéma pour la mesure de la caractéristique de la diode ma Ampèremètre 1 Résistance 1K Ω ortiie 1 Diode ilicium oltmètre 1 Figure 21b Réalisation du montage de la figure 21a sur la platine Mesure les caractéristiques I = f() 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 F, et leur résistance interne r. omparer ces diodes.

12 84 2. ourant de fuite d une diode (Uniquement pour les physiciens) électionner l'option "ourant de fuite " et un écran expliquant le montage apparaît. e 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 cidessous et demander l'écran suivant. ourant de fuite d une diode µa Ampèremètre 1 Résistance 1KΩ ortie 1 oltmètre 1 Diode ilicium hauffage hauffage 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. e courant très petit permet de fixer le zéro. Mesurer 3 courants de fuite à des températures de 50, 70 et 90. Imprimer le graphique. Prendre, pour une tension de 5, les valeurs mesurées pour le courant de fuite et porter Ln(I o ) en fonction de 1/T. Déterminer la bande interdite E g. Estce que ce résultat dépend de la tension aux bornes de la diode?

13 85 3. Redresseur une alternance électionner 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 cidessous et demander l'écran suivant. Redresseur à une alternance Diode ilicium ortiie 1 Résistance 100K Ω apacité 100 µ F oltmètre 1 Figure 23 chéma 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 =10µF et 100µF et vérifier qualitativement que la tension décroît avec une constante de temps R L.

14 86 4. Redresseur deux alternances Redresseur à deux alternances ortiie 1 Entrée ortie Résistance 100K Ω apacité 100 µ F oltmètre 2 Figure 24 chéma pour un redresseur à deux alternances électionner 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 cidessus 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. érifier que la tension d'ondulation avec =100µF est environ deux fois plus faible que pour le redresseur à une alternance.

15 87 ) TRANITOR 1. aractéristiques Pour mesurer les caractéristiques I ( E ) I= cte et I (I ) nous devons mesurer E = cte simultanément les courants de base I et de collecteur I ainsi que la tension E. eci 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. A I E 1 I A E 2 1 et 2 sont des sources ajustables de tension continue Figure 25a. Montage pour déterminer les caractéristiques d'un transistor NPN aractéristique d un transistor µa Ampèremètre 1 Transistor NPN ma Ampèremètre 2 I ollecteur ortiie 1 ase I Emetteur oltmètre 1 ortiie 2 I E Figure 25b. Réalisation du montage de la figure 25a sur la platine

16 88 Mesurer la caractéristique I en fonction de I avec différentes valeurs de E. alculer le paramètre h FE I = I donnant l'amplification en courant de ce transistor. Pour les physiciens uniquement: Mesurer la caractéristique I en fonction de E avec différentes valeurs de I. omparer cette caractéristique avec celle obtenue précédemment. 2. Amplification : Monter le circuit schématisé sur la figure 26a. 10k Ω o E 1k Ω E o est une tension de commande ajustable est une tension d alimentaion constante Figure 26a. chéma de principe pour un amplificateur à transistor Amplificateur à transistor Transistor NPN ase I I ollecteur Emetteur I E ortiie 1 Résistance 1K Ω oltmètre 1 ortiie 2 Résistance 10K Ω oltmètre 2 Figure 26b. Réalisation du montage de la figure 26a sur la platine de mesure.

17 89 Mesure statique Mesurer les tensions et E en fonction de o. Tracer les graphiques et E en fonction de o. alculer l'amplification du signal obtenu sur l'émetteur alculer l'amplification du signal obtenu sur le collecteur. Discuter ces deux résultats. Mesure en alternatif Fixer une tension o appropriée pour réaliser une amplification. Enregistrer le signal de sortie sur le collecteur pour plusieurs tensions d'entrée o.