Examen 2 ième Session d Electronique Analogique ELE 004 Documents non autorisés Durée 3 heures

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1 CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS Année universitaire Examen 2 ième Session d Electronique Analogique ELE 004 Documents non autorisés Durée 3 heures Exercice 1 (3pts): (Semi-conducteurs) 1 - Montrer en utilisant les lois d action de masse et de neutralité électronique, que dans le cas d un semi-conducteur de type N, le nombre total d électrons mobiles n 0 est égale au nombre d impuretés donatrices injectées N D. (On considère que : 4n i 2 << N D 2 ) Rappel : Loi d action de masse : 2 n 0.p 0 = n i Loi de neutralité (type N) : p 0 N D = n On dope un échantillon de Si par des impuretés donatrices N D = cm -3. a) Quel est le nombre d électrons libres n 0? b) A quelle température T faudrait-il porter le Si intrinsèque (n i ) pour obtenir le même nombre d électrons libres? (On utilisera le graphique de la Figure 1) Qu en concluez-vous quand à l utilité de doper les semi-conducteurs? Température en C Concentration intrinsèque ni en cm -3 Figure.1 1

2 Exercice 2 (3pts): (Jonction PN) Une jonction PN est constituée par la mise en contacte de deux type de semiconducteurs, type P et type N. la région P est dopée par des atomes accepteurs à la hauteur de cm -3 et la région N est dopée par cm -3 atomes donneurs. 1 - Existe-t-il des charges dans la zone déserte (appelée aussi zone de transition) formée au niveau du plan de la jonction? Si oui lesquelles? (faire un schéma illustratif). 2 - En absence de polarisation (V PN =0), Calculer la largeur W de la zone de transition. Rappel : W 2ε = Vj ; Vj = Vdiffusion VPN qn A On donne : ε = F/m ; q = 1, C ; le potentiel de diffusion est de 3V. 3 - On polarise la jonction PN de telle manière à augmenter la largeur de la zone de déserte de 20%. La jonction est elle polarisée en direct ou en inverse? Calculer la valeur de la tension de polarisation V PN nécessaire pour avoir cette nouvelle largeur. Exercice 3 (3pts): (Circuit à Diodes) Soit le montage à diodes idéales de la figure 2. Le signal d entrée est de forme sinusoïdale V e (t)= 10cos(ωt). On donne : =20KΩ, =2KΩ, E 1 =-5V et E 2 =5V. D 1 V e E 1 E 2 D 2 Figure.2 Donner, suivant l état des diodes (passantes ou bloquées), la forme du signal de sortie V s (t). Représenter, sur le même graphique, les deux signaux V e (t) et V s (t). Exercice 4 (5pts): (Photodiode) On considère le montage de photodétection de la figure 3 constitué, en plus de la photodiode, des éléments suivants : = 100 kω, = 5 kω, E 0 = 10 V. Eclairement (hϒ) Photodiode C E 0 Figure.3 2

3 On donne : la constante de Planck : h = 6, J.s ; ϒ est la fréquence de l éclairement. 1 - Rappeler brièvement en quoi consiste le phénomène photoconductif. 2 - Donner la définition du seuil de photoconductivité d une photodiode. 3 - On considère différents semi-conducteurs dont on rappelle les hauteurs de bandes interdites exprimées en e.v : Semi-conducteurs Ge GaInAs Si AsGa GaP Eg (e.v) 0,67 0,75 1,11 1,4 2,26 Quel(s) seraient, d après vous, les matériaux appropriés pour réaliser une photodiode devant détecter une radiation lumineuse de longueur d onde égale à 1550 nm? 4 - Quel doit être le branchement de la photodiode afin que celle-ci soit utilisée en capteur de lumière? Dessiner le schéma symbolique de la diode sur le schéma du montage. 5 - La sensibilité S minimal de la photodiode, mesurée pour une longueur d onde de 1550 nm est de 0,68 A/W. La diode étant polarisée, quelle serait la puissance lumineuse minimale P L min à détecter si l on se fixe un rapport minimal de 50 entre le courant d éclairement I L et le courant d obscurité I s = 5 na? Rappel : V I = I S exp I L V 1 ; T PL IL = S Exercice 5 (10pts): (Montage à Transistor à effet de champs) On étudie la polarisation du montage suivant : R D i e C E G D S V DD i L V e C S R S R L V L I. Généralités : Figure Expliquer brièvement le fonctionnement d un transistor à effet de champs (TEC). 2 - Le transistor considéré dans le montage ci-dessus (Figure 4) est-il à canal N où à canal P? Justifier votre réponse. 3

4 II. Polarisation du transistor (Régime statique) 1 - Donner le schéma de polarisation du transistor et écrire l équation de la droite de charge statique. 2 - L excursion maximale en petits signaux est assurée pour une tension V GS = -1V. Donner dans ce cas les valeurs des coordonnées du point de fonctionnement Q R (V DS0,I D0 ), choisit au milieu de la zone de saturation (utiliser les caractéristiques de la figure 5). On donne : V DD =15 V Figure En déduire la valeur de R D R S. 4 - Afin de stabiliser le point de repos Q R (V DS0,I D0 ), on court-circuite la résistance R D (R D =0). La résistance d entrée du montage en petits signaux est fixée à 1 MΩ. Quelles sont dans ce cas les valeurs de et? III. Etude du montage en petits signaux (Régime dynamique) 1 - Déterminer graphiquement la valeur de la conductance g m (ma / V). 2 - Donner le schéma électrique équivalent basses fréquences du TEC. 3 - Les capacités de liaison C E et C S n interviennent pas à la fréquence de fonctionnement (court-circuitées). Déduire le schéma équivalent de l amplificateur en petits signaux. 4 - Calculer le gain en tension du montage A V ainsi que l admittance de sortie. 5 - Qu est ce qu il faut rajouter au schéma équivalent du TEC en hautes fréquences. On donne : g DS = 50 µω -1. Exercice 6 : Filtre actif (7pts) Dans un ouvrage consacré aux filtres figurent les deux schémas suivants : 4

5 C 1 C 1 V E - - V E R 3 Filtre A Filtre B 1) Quel est l ordre du filtre A et l ordre du filtre B? 2) Quelle est la nature de chacun de ces filtres? (passe-bas, passe-haut, passebande, coupe bande)? On ne demande pas de faire de calculs pour répondre à cette question mais de justifier en une ou deux phrases votre choix pour chacun des filtres. 3) On se propose maintenant d étudier uniquement le filtre A. a) Déterminer la fonction de transfert de ce filtre en fonction des éléments. L amplificateur opérationnel est supposé idéal. b) On désire que le gain aux basses fréquences soit de 32 db. Quelle est la valeur de si R 3 = 1kΩ. c) On désire une fréquence de coupure de 20kHz. Quelle est la valeur de C 1 si = 10kΩ. d) L amplificateur opérationnel n est plus idéal et le constructeur indique dans la notice que sa fréquence de transition F T est de 5 MHz. Cet Amplificateur convientil au montage étudié? Justifier votre réponse. 5

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