TP2 : diodes. Laboratoire de Physique III - Electronique Année Sergio Gonzalez Sevilla

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1 TP2 : diodes Laboratoire de Physique III - Electronique Année Sergio Gonzalez Sevilla Sergio.Gonzalez@unige.ch

2 Sevilla Théorie des semi-conducteurs

3 Modèle atomique Plusieurs modèles de l atome développés au cours des temps 1897, Thomson: Plum-pudding 3

4 Modèle atomique Plusieurs modèles de l atome développés au cours des temps 1897, Thomson: Plum-pudding 1911, Rutherford: modèle planétaire Rutherford s Model of the Atom This model was not correct. 4

5 Modèle atomique Plusieurs modèles de l atome développés au cours des temps 1897, Thomson: Plum-pudding 1911, Rutherford: modèle planétaire 1913, Bohr: quantification des orbites électroniques ΔΕ = hν 5

6 Modèle atomique Plusieurs modèles de l atome développés au cours des temps 1897, Thomson: Plum-pudding 1911, Rutherford: modèle planétaire 1913, Bohr: quantification des orbites électroniques 1926, Schrödinger: modèle ondulatoire; fonction d onde et densité de probabilité 6

7 Semi-conducteurs intrinsèques 7

8 Atome de silicium Numéro atomique: s 2 2p 6 3s 2 3p 2 = [Ne] 3s 2 3p 2 Configuration électronique: 1s 4 électrons de valence Germanium: [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 électrons de valence noyau 14 couche de valence 8

9 Atome de licium 4 lien covalent électrons de valence 9

10 Bandes d énergie T~0K énergie des électrons Bande de conduction vide Niveaux vides Niveaux occupés Eg ~ 1 ev Bande de valence pleine 10

11 Bandes d énergie T~0K T>0K énergie des électrons Bande de conduction vide Bande conduction Niveaux vides Niveaux occupés Eg ~ 1 ev Bande de valence pleine Niveau occupé (trou) Bande de valence Niveau occupé (électron) 11

12 Bandes d énergie 12

13 Dopage Electron de valence Electron de conduction Trou 13

14 Dopage: type N Electron de valence 4 4 Electron de conduction Trou 4 électron faiblement lié 4 5 As Dopage avec éléments du groupe V (pentavalent) donor : phosphore (P), arsenic (As), antimoine (Sb) 14

15 Dopage: type N électron de conduction As Electron de valence Electron de conduction Trou ion positif Dopage avec éléments du groupe V (pentavalent) donor : phosphore (P), arsenic (As), antimoine (Sb) silicium dopé de type-n 15

16 Dopage: type P Electron de valence 4 4 Electron de conduction Trou 4 liaison ouverte S B Dopage avec éléments du groupe III (trivalent) acceptor : bore (B), aluminium (Al), gallium (Ga), indium (In) 16

17 Dopage: type P Electron de valence ion négatif B 4 Electron de conduction Trou 4 4 trou libre mobile Dopage avec éléments du groupe III (trivalent) acceptor : bore (B), aluminium (Al), gallium (Ga), indium (In) silicium dopé de type-p 17

18 Sevilla diodes

19 électron trou La jonction PN Formée par la mise en contact d un semi-conducteur de type P avec un semi-conducteur de type N la zone de rencontre des deux régions s appelle une jonction un tel cristal PN s appelle une diode type-n type-p jonction 19

20 électron trou La jonction PN Les électrons majoritaires du côté N ont tendance à diffuser vers le côté P et les trous majoritaires du côté P diffusent vers le côté N diffusion jusqu à atteindre l équilibre thermique type-n type-p 20

21 électron trou La jonction PN Départ d un électron libre de la région N: crée un ion positif dans la région N pénètre dans la région P où il devient un porteur minoritaire recombinaison avec un trou (porteur majoritaire) création d un ion négatif dans la région P type-n type-p région d appauvrissement (ou de déplétion) 21

22 électron trou La jonction PN L existence d ions positifs et négatifs des deux côtés de la jonction crée une barrière de potentiel V B c est la quantité d énergie requise pour déplacer les électrons à travers le champ électrique A 25 oc, V B ~ 0.7 V pour le silicium et ~0.3 V pour le germanium type-p E1 type-n région d appauvrissement (ou de déplétion) 22

23 électron trou Polarisation directe La borne négative de la source repousse les électrons libres de la région N vers la jonction lorsqu elle vainc V B, la source fournit assez d énergie pour que les électrons traversent la jonction recombinaison avec des trous et deviennent des électrons de valence ils se déplacent de trou à trou vers la borne positive courant région N: mouvement des électrons conduction vers la jonction courant région P: mouvement des trous vers la jonction type-n type-p 23

24 électron trou Polarisation directe La borne négative de la source repousse les électrons libres de la région N vers la jonction lorsqu elle vainc V B, la source fournit assez d énergie pour que les électrons traversent la jonction recombinaison avec des trous et deviennent des électrons de valence ils se déplacent de trou à trou vers la borne positive courant région N: mouvement des électrons conduction vers la jonction courant région P: mouvement des trous vers la jonction l effet de la barrière de potentiel est de s opposer à la polarisation directe mouvement trous (porteurs majoritaires) I mouvement électrons (porteurs majoritaires) 24

25 électron trou Polarisation inverse La borne négative (positive) de la source attire les trous (électrons) loin de la jonction la région d appauvrissement s élargit jusqu à ce que la différence de potentiel qui la traverse soit égale à la tension externe de polarisation à ce moment, le courant majoritaire cesse type-p E1 E2 type-n 25

26 électron trou Polarisation inverse La borne négative (positive) de la source attire les trous (électrons) loin de la jonction la région d appauvrissement s élargit jusqu à ce que la différence de potentiel qui la traverse soit égale à la tension externe de polarisation à ce moment, le courant majoritaire cesse à cause de l agitation thermique, un nombre limité d électrons libres et de trous sont crées des deux côté de la jonction il existe un très petit courant produit par les porteur minoritaires: courant inverse ou courant de saturation I S le mot saturation rappelle que l énergie thermique limite ce courant I S ne dépend que de la température, et non de la tension de polarisation inv. mouvement trous (porteurs minoritaires) I (très faible) mouvement électrons (porteurs minoritaires) 26

27 Courbe caractéristique 27

28 Test de diodes Un multimètre digital permet de tester une diode par deux méthodes: mode Test de diode mode Résistance Diode en bonne santé: ddp [ ] V (diode au licium) en polarisation directe (courtcircuit); [ V] (ou OL) lorsqu une bonne diode est en polarisation inverse (résistance extrêmement élevée / circuit ouvert) OL 28

29 ales des diodes consiste a transformer un signal alternatif, dans lequel le sens de e a chaque demi-pe riode, en un signal dans lequel les e lectrons circulent en sens Redressement Redresseur simple alternance gure 6. Produisez un signal d entre e sinusoı dal avec le ge ne rateur d onde, et ie Vout. Expliquez. Vout 1 kw. Circuit redresseur a simple alternance : diode et re sistance. outant un condensateur de 5 µf (figure 7). Observez le signal de sortie en u signal d entre e de fac on a pouvoir observer l ondoiement (comme montre a la max < V. urquoi Vout in Vout 1 kw 29

30 ales des diodes consiste a transformer un signal alternatif, dans lequel le sens de e a chaque demi-pe riode, en un signal dans lequel les e lectrons circulent en sens Redressement Redresseur simple alternance gure 6. Produisez un signal d entre e sinusoı dal avec le ge ne rateur d onde, et ie Vout. Expliquez. - Vout 1 kw -. Circuit redresseur a simple alternance : diode et re sistance. Vin Vsort outant un condensateur de 5 µf (figure 7). Observez le signal de sortie en t0 t1 de fac on a pouvoir tt00 tt11 u signal d entre e observer l ondoiement (comme montre a la max < V. urquoi Vout in Alternance positive Vout 1 kw 30

31 ales des diodes consisteune a transformer des applications un signal principales alternatif, desdans diodes lequel consiste le sensa transformer de un signal alte e a chaque demi-pe riode, circulation en undes signal e lectrons dans lequel s inverse les a e lectrons chaque demi-pe riode, circulent en sens en un signal dans lequel l unique. Redressement Redresseur simple alternance gure 6. Produisez un 1. signal Montez d entre e le circuit sinusoı dal de la avec figurele6.ge ne rateur Produisezd onde, un signal et d entre e sinusoı dal a ie Vout. Expliquez. observez le signal de sortie Vout. Expliquez. - Vout - 1 kw - Vout I=0 1 kw Vin6. Circuit redresseur a simple alternance : diode et re sis. Circuit redresseur a simple alternance : diode F IGURE et re sistance. Vin Vsort Vsort outant un condensateur 2. Modifiez de 5 µf (figure le circuit 7). en Observez ajoutantleunsignal condensateur de sortie de en 5 µf (figure 7). Obs t0 t1 de fac onchoisissant tt00 t0 du t0 signalt1d entre e tfac on t0 a a lapouvoir t1 observer l ond t u signal d entre e a pouvoir observer la ttfre quence l ondoiement (comme de montre max < V. max < V. urquoi Vout figure 7), et expliquez pourquoi V in in out Alternance positive Vout 1 kw Alternance négative Vout 1 kw 31

32 ouble alternance Redressement de la figure 8 en utilisant le transformateur, R = 10 kw et C = 1, produisez aundouble signalalternance d entre e sinusoı dal avec amplitude 10 V et f Redresseur de sortie Vout. D3 D1 Vout D2 D4 F IGURE 8. Circuit redresseur a double alternance. la tension d ondoiement est similaire a celle du redresseur demi-on 32

33 ouble alternance Redressement de la figure 8 en utilisant le transformateur, R = 10 kw et C = 1, produisez aundouble signalalternance d entre e sinusoı dal avec amplitude 10 V et f Redresseur de sortie Vout. D3 D1 Vout - D2 D4 F IGURE 8. Circuit redresseur a double alternance. la tension d ondoiement est similaire a celle du redresseur demi-on 33

34 ouble alternance Redressement de la figure 8 en utilisant le transformateur, R = 10 kw et C = 1, produisez aundouble signalalternance d entre e sinusoı dal avec amplitude 10 V et f Redresseur de sortie Vout. D3 D1 - Vout D2 D4 F IGURE 8. Circuit redresseur a double alternance. la tension d ondoiement est similaire a celle du redresseur demi-on 34

35 pre cises, comme par exemple deux signaux espace s de moins de 2 ms dans deux sous-de tecteurs adjac n utilisant un condensateur, une diode et deux re sistances, concevez un circuit fournissant un signal ponctu mpulsion e lectrique) positif lorsqu un signaletapparait a l entre e du circuit.un De montrez votre compre hensio En utilisant un condensateur, une diode deux re sistances, concevez circuit fournissant un signal p isantimpulsion un signal e lectrique) carre pour simuler l arrive e signal d un signal dans votre circuit. (une positif lorsqu un apparait a l entre e du circuit. De montrez votre compre Portes logiques en utilisant un signal carre pour simuler l arrive e d un signal dans votre circuit. OU ET ortes logiques ou et et 3.2 Portes ou et et Q Montez le circuit de la figure Alogiques B 10. A B Q 1. Montez circuit de0la 10.0 Fournissez une 5figure V uniquement a la borne A (VA ), 0 puis uniquement 0 letension 0 a la borne0 B (VB ), pu aux2.deux bornes.une Notez vos observations par rapport la tension sortie Vout (i.e., aux Fournissez tension de 5 V uniquement a la a borne A (VAde ), puis uniquement a la bornes borne Bde(V re sistance). aux deux bornes. Notez vos observations par rapport a la tension de sortie Vout (i.e., aux born leur fonctionnement 0 0comme por re sistance). Re pe tez l exercice pour le0deuxie me circuit (figure 11), et expliquez logique ou ou et. pour le deuxie me circuit (figure 11), et expliquez leur fonctionnement comm 3. Re pe tez l exercice logique ou ou et. 1 VA VB 5 V Vout 10 kw 10 kw VA VB F IGURE 10. Porte logique ou. F IGURE 10. Porte logique ou. 1 5 V Vout VA VB 1 VA VB Vout F IGURE 11. Porte logique et. Vout F IGURE 11. Porte logique et. 35

36 Sergio Gonzalez Sevilla (UniGe) Bon travail!!