ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 1

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2 Objectifs Connaitre le principe de fonctionnement de la diode de la diode zéner du transistor Maîtriser et manipuler des modèles équivalents statiques de la diode de la diode zéner Du transistor Etre capable de polariser correctement un transistor Fonctionnement bloqué /saturé Fonctionnement en source de courant contrôlé 2

3 Atomes Structures des atomes Un noyau + des électrons Des orbites associées à des état énergétiques o La couche périphérique est appelée Couche de valence o Elle intervient dans l'établissement des liaisons chimiques entre différents atomes pour former des molécules. 3

4 Atomes Dopage type P 4 électrons de valence Dopage type N 3 couches occupées : K,L,M 4

5 Atomes Bandes d énergies Répartition énergétiques en bandes discontinues o o Orbitales associées à des états énergétiques Bandes interdites 2 bandes impliquées dans la conduction électrique o La bande de conduction et bande de valence 5

6 Semi-conducteur Structure cristalline du silicium non dopé Propriétés : Structure cristalline très rigide. 4 liaisons par atome assurant la rigidité du cristal 6

7 Semi-conducteur Création d une paire électron-trou Sous l action de la température, un électron provenant d une liaison peut se libérer. L électron (chargé négativement) laisse à sa place un trou (chargé positivement). Les trous et électrons sont appelés porteurs libres ils sont le support du courant électrique. trou Illustration du courant de trou 7

8 Semi-conducteur Dopage On rajoute des impuretés à la place d atomes de Si Dopage type N: impureté a 5 électrons => 1 électron est libre Dopage type P: impureté a 3 électrons => 1 trou est libre Type N Type P 8

9 Jonction PN Avant équilibre Phénomène de Des trous, porteurs libres majoritaires diffusion apportés par les impuretés Des électrons, porteurs libres minoritaires dus à l agitation thermique. Des ions fixes chargés négativement : les impuretés ayant perdu un trou. Des électrons, porteurs libres majoritaires apportés par les impuretés Des trous, porteurs libres minoritaires dus à l agitation thermique. Des ions fixes chargés positivement : les impuretés ayant perdu un électron 9

10 Jonction PN r Jonction PN à l équilibre Les porteurs majoritaires de chaque coté diffusent et laisse des atomes ionisés Dans la zone de transition : il n y a plus de porteurs libres Les ions fixes crée un champ électrique qui compense la diffusion: ETAT STABLE À l état stable seuls les électrons ou les trous ayant une énergie supérieure à evd peuvent passer 10

11 Le composant DIODE Zéner Composants Symboles traitées à part Modèle de shockley Ordre de grandeur de Is (qq na) Mise en évidence de l influence de la T o I d V d qv D kt I I ( e 1) d s q=e=1, [C] k=1, [JK -1 ] T [K] rappel: [K]=[ o C]+273 1;2 11

12 Principe de fonctionnement Zéner polarisée en direct La barrière de potentiel VD diminue. A partir d une tension de seuil : les porteurs peuvent passer et la diode se comporte comme un interrupteur fermé q=e=1, [C] k=1, [JK -1 ] Le mouvement de trous correspond à un mouvement d électrons dans la bande de valence I + trous I = électrons Modèle de shockley qv D kt Id Is e ( 1) 12

13 Zéner Principe de fonctionnement polarisée en inverse La barrière de potentiel VD augmente Peu de porteurs ont l énergie suffisante pour passer : la diode se comporte comme un interrupteur ouvert o Présence d un courant inverse IS dû aux porteurs minoritaires (qques na). 13

14 Modélisation Zéner Modèles statiques usuels choix en fonction de la précision souhaitée I S I S 14

15 Analyse Zéner Méthode de calculs Du bon sens: o o Si doutes: o le courant s écoule des potentiels les + élevées vers les + faibles La diode est unidirectionnelle en courant: le courant rentre par l anode faire une hypothèse et on la vérifie (ou pas) a posteriori passante : elle se comporte comme un fil on vérifie que id > 0. bloquée : elle se comporte comme un circuit ouvert on vérifie que VD < 0. Si l hypothèse est fausse, on en refait une autre... Hyp: D passante lorsque e<0 => ir= e R <0 =>id<0 IMPOSSIBLE L hypothèse est fausse: D OFF 15

16 Applications Zéner Fonction alimenter en énergie Redressement dans une chaîne de conversion AC-DC abaisser le niveau de tension du secteur Obtenir une composante continue Filtrer les harmoniques Obtenir la tension la plus constante Rappel sur le transformateur symbole équations schémas équivalents I 1 m I 2 mi 2 I 2 I 1 I 2 U2 I1 U m 1 U U2 ou 1 mu U 1 2 U 2 U 1 I 2 Transfo parfait symbole modèle transfo parfait Modélisation du transfo parfait U 1 16

17 Applications Zéner Redressement simple alternance 17

18 Applications Zéner Redressement double alternance Symbole graphique couramment utilisé pour représenter le pont de graetz 18

19 Applications Zéner Redressement double alternance + Filtre + C Dimensionnement simplifié de C Hypothèse simplificatrice: on suppose une décharge à courant constant I=I R =I charge I. T Q I. T C. U C Ce type de montage sera bientôt interdit car U cmax désiré générateur d harmonique sur le réseau=> Remplacement par des alimentations à absorption sinusoïdale (alim PFC) 19

20 Applications Zéner d écrétage Protection des circuits de clamp intégré dans les CI de roue libre Circuit de délestage lors des démagnétisations de roue libre Circuit inductif Hacheur série 20

21 La diode zéner Symbole Zéner composants Caractéristique tension/courant Se comporte comme une source de tension en polarisation inverse V z0 Se comporte comme un interrupteur ouvert Se comporte comme une diode en polarisation directe V F I z Ici Convention de fléchage direct (type diode) I F V F 21

22 Zéner Modélisation Fléchage en convention «zéner» La zéner est normlaement polarisé en inverse Plutôt que de travailler avec des grandeurs négatives on inverse le fléchage Modèle statique (fonctionnement INVERSE) K A I z I z Pente de la droite = 1 r z V z V z V z0 V z0 22

23 Modélisation Applications type Protéger équipement Zéner Stabiliser tension I e R s I s modélisation V c r z V e V c0 V z0 R ch V s La qualité de stabilisation de Vs est quantifiée par 2 coefficients : Coefficient amont:α = V s V e Is=cste Coefficient aval: β = V s Is Ve=cste 23

24 Zéner Analyse Comment savoir dans quel état est la zéner? Procédé analogue à celui des diodes o faire une hypothèse en cas de doute E=9V On suppose que la diode Zener est bloquée => VL > VZ, donc l hypothèse est fausse : la diode fonctionne en zéner et donc VL = 5V Conclusion: La diode Zener stabilise la tension de sortie à VL = VZ 24

25 bipolaire bipolaire JFET MOSFET Composant Symbole Structure interne Fléchage tensions/courants 25

26 Principe de fonctionnement bipolaire JFET MOSFET Effet transistor (cas NPN) jonction PN base-émetteur (BE) polarisée en direct BC polarisée en inverse VC > VB > VE 1 - BE est polarisée en direct, un courant d électrons arrive à la base (B). 2- la jonction BC est polarisé en inverse=> extension de la ZCE sur pratiquement toute la base 3- la majorité des électrons injecté dans la base (type P) n ont pas le temps de se recombiner car ils sont catapultés par la jonction BC polarisée en inverse 4- on quantifie l effet transistor par le coefficient d injection α: I c = αi e avec α 0,95 à 0,99 26

27 Modélisation bipolaire JFET MOSFET B Modèle d Ebers Moll simplifié I b C I c αi e Proche de la structure interne du composant Mise en évidence de l effet transistor : I c = αi e ou encore I c = βi b Mise en évidence du phénomène de saturation :Si BC en direct => I c E I e VT I I ( e 1) e es V D Caractéristique de sortie 3 modes de fonctionnement possibles suivant le point de fonctionnement Saturation: interrupteur fermé! Linéaire: une source de courant Bloqué: interrupteur ouvert! 27

28 Circuit de commande bipolaire JFET MOSFET Commander un transistor choisir un point de fonctionnement = placer le transistor dans un des 3 modes choisir un point de fonctionnement= agir la maille de commande= contrôler I b contrôler I b = choisir correctement R b en fct du cahier des charges V BB V CC Maille De commande Maille de charge V D D V I T e VT Ie Ies ( e 1) Ib Ibs ( e 1) 1 V 28

29 bipolaire JFET MOSFET Circuit de commande Polarisation des transistors Polarisation par résistance de base o Peu utilisé car très sensible aux dispersion des composants et à la température Polarisation par pont On applique le théorème de Thévenin pour trouver V BB et R B 29

30 en source de courant commandée Fonctionnement linéaire Interprétation graphique bipolaire JFET MOSFET 30

31 en interrupteur commandé bipolaire JFET MOSFET Fonctionnement saturé Interprétation graphique Courbe1 I c βi b Courbe0 Comment saturer un transistor On connait ou on calcule I c On calcule I B = k I C β max avec k 1; 2 et on déduit R B Dans les datasheets les notations hybrides sont utilisées: h FE =β ( grandeurs statiques) 31

32 Modèles équivalents pour les calculs À connaître TRANSISTOR EN REGIME LINEAIRE SOURCE DE COURANT COMMANDEE TRANSISTOR EN REGIME NON LINEAIRE INTERRUPTEUR COMMANDE C I c βi b = αi e B I b I c C B I b 0.7V V be =0.7V E E I e Le circuit de commande règle le courant I B qui contrôle proportionnellement le courant I C Le courant I C ne varie plus proportionnellement à I B. Le transistor se comporte comme un interrupteur FERMé I c =βi b I c =βi b I c βi b 32

33 Analyse bipolaire JFET MOSFET Le schéma est donné: quel est l état du transistor? Comme pour les diodes on fait une hypothèse de calcul: T passant par exemple Les calculs sont effectués puis la cohérence de l hypothèse vérifiée! À connaître 33

34 Applications bipolaire JFET MOSFET Interfaçage et interrupteur commandé Objectif: adaptation en courant Montage darlington en commutation (20kHz et +) On notera l absence de diode de roue libre (la démagnétisation se fait par le secondaire du transfo!) 34

35 bipolaire JFET MOSFET Applications Régulation de tension Source de tension contrôlée en courant Présence d une contre-réaction 2 types de régulateur o Shunt ou ballast Régulation de type shunt (ou //) Effet d auto-régulation Régulation de type série Principe du transistor BALLAST 35

36 Applications bipolaire JFET MOSFET Régulateur ballast Le plus utilisé jusqu à P<10W V out R2 (1 ) V R1 Variante 1 Variante 2 Ampli non inverseur z Variante 3 36

37 Applications bipolaire JFET MOSFET Régulateur de tension intégré Structure ballast V ce =2Vbe+V ce3 On retrouve notre tension de déchet V dropout I s Vref=1,25V I load = k.β 1 β 2 β 3 V diff bandgap de Brokaw: référence de tension de 1,25V 37

38 Le composant JFET bipolaire JFET MOSFET Symbole canal N canal P Structure Canal ouvert au maximum Vgs=0 Zone résistive le canal se rétrécit petit à petit au fur et à mesure que Vds augmente (Vds faible) Zone pincée au-delà d un seuil Vds, la largueur du canal ne change plus (réduite à un minimum) => le courant ne dépend plus de Vds 38

39 Caractéristiques externes du JFET bipolaire JFET MOSFET Caractéristique pour Vgs=0 R D E i G = 0 G D S i D V DS V GS =0 Zone résistive Source de courant I D V DS V P VGS=0V Réversibilité (dans une certaine limite) de la zone de fonctionnement V DS = V P avec V P < 0 V DS 39

40 bipolaire JFET MOSFET Caractéristiques externes du JFET Réseau de caractéristiques Comportement 1: zone de résistance commandé en tension r ds = h(v GS) ) Comportement 2: source de courant commandé en tension I d = f(v GS) ) JFET en zone pincée Mise en évidence: Du contrôle de Vgs sur Id Id k( V V ) gs P 2 V ds V gs + V P Id k( V V ) gs P 2 40

41 JFET en résistance commandée bipolaire JFET MOSFET Résistance commandée I d Condition de fonctionnement en zone résistive: V ds V ds V gs + V P Remarque: V P < 0 Modèle équivalent G I G = 0 r ds =h(v GS ) D r ds =h(v GS ) V GS r ds V DS Id k 2( V V ) V V 2 gs P ds ds S r ds 1 2 k( V V ) gs S p rdson V 1 V gs p V P V 2I p dss 41

42 JFET en résistance commandée bipolaire JFET MOSFET Applications Multiplexeur analogique Contrôle automatique de gain Echantillonneur/bloqueur Gain variable 42

43 JFET en source de courant bipolaire JFET MOSFET Source de courant contrôlé en tension Condition de fonctionnement en zone pincée: V ds > V gs + V P Remarque: V P < 0 Modèle équivalent statique ou grand signal Pour les petits signaux un modèle spécifique «petit signal» est utilisé o La fonction de transconductance est linéarisée autour d un point de repos V gs0 I G = 0 G V GS S I D = f(v GS ) D V DS Id k( V V ) gs k: transconductance statique exprimée en A/V 2 P 2 on retrouve la même équation sous une autre forme Id Idss 1 Vgs Vp 2 43

44 composants MOSFET bipolaire JFET MOSFET Symboles Structure à enrichissement Présence d un diélectrique isolant Formation du canal de conduction en appliquant Vgs>0 44

45 E-MOSFET: caractéristiques externes bipolaire JFET MOSFET caractéristiques non pincé V ds V gs VT pincé (ou «saturé» Pour les techno FET le sens «saturé» est différent de celui des bipolaires À retenir: On travaille avec V GS 0 tant que V GS n a pas atteint le seuil V T le transistor est bloqué bloqué (Id=0) 45

46 E-MOSFET: modèles bipolaire JFET MOSFET Modèles équivalents Identiques au JFET Rappel : source de courant contrôlé en tension o o Condition V ds V gs VT Modèle équivalent statique ou grand signal I G = 0 G V GS I D = f(v GS ) D V DS 2 Vgs Id k( Vp Vgs ) Idss 1 Vp attention: V GS 0 et V T >0 2 S Applications Tout domaine de l électronique o o o Conception de circuits intégrés analogique ou digital (structures CMOS) Amplificateurs Interrupteurs de puissance 46

47 E-MOSFET: caractéristiques externes bipolaire JFET MOSFET Structure à appauvrissement Permet de travailler en appauvrissement mais aussi en enrichissement (V GS >0) caractéristiques le canal est formé pour Vgs=0 Les équations restent identiques 47

48 bipolaire JFET MOSFET Fiche synthèse des transistors à effet champs P Vous remarquerez que pour trouver les courbes des transistors complémentaires il suffit d inverser les signes, à condition toutefois de conserver les mêmes conventions de fléchages courants/tensions 48