Module d’électronique

African Virtual university Université Virtuelle Africaine Universidade Virtual Africana

^Module

d’électronique

Par Sam Kinyera OBWOYA

Note

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License (abréviation « cc-by »), Version 2.5.

Table des maTières

I. Module d’électonique _______________________________________ 3 II. Prérequis_________________________________________________ 3 III. Temps ___________________________________________________ 3 IV. Matériels didactiques _______________________________________ 3 V. Justification______________________________________________ 3 VI. Contenu_________________________________________________ 4 6.1 Résumé _______________________________________________ 4 6.2 Données générales ______________________________________ 5 6.3 Représentation graphique ________________________________ 6 VII. Objectifs généraux ________________________________________ 7 VIII. Objetifs spécifiques d’apprentissage __________________________ 7 IX. Évaluation préliminaire _____________________________________ 9 X. Activités d’apprentissage et d’enseignement_ ____________________ 14 XI. Concepts-clés (glossaire) __________________________________ 158 XII. Lectures obligatoires ______________________________________ 160 XIII. Ressources (facultatives) multimédias ________________________ 162 XIV. Liens utiles _____________________________________________ 165 XV. Synthèse du module _____________________________________ 170 XVI. Évaluation sommative _____________________________________ 172 XVII. Références _____________________________________________ 175 XVIII. Dossier de l’étudiant ____________________________________ 176 XIX. Auteur principal du module _________________________________ 176

i. module d’électronique

Par Sam Kinyera Obwoya Kyambogo University Uganda

ii. Prérequis

Les connaissances préalables pour ce module est la physique apprise à l’école. La connaissance des cours qui suivent est particulièrement importante pour que l’étu- diant suive et comprenne le module de façon efficace. Les cours de physique de l’état solide et d’électricité magnétisme sont des préalables. Comme condition générale, l’étudiant doit avoir des connaissances en calcul et en algèbre en mathématique.

iii. Temps d’apprentissage

Vous aurez besoin de 120 heures pour apprendre ce module.

iV. matériels didactiques

Le matériel didactique requis pour ce module inclut un accès à un ordinateur et no- tamment, un accès régulier à Internet. L’Internet vous fournira plusieurs références et ressources multimédias essentielles. Ces multimédias sont importants puisqu’ils servent, dans certains cas, de chargés de cours virtuels et d’équipement pouvant servir à mener des expériences virtuelles. Cependant, certains cédéroms seront éga- lement disponibles pour compléter l’utilisation d’Internet. Le matériel inclut aussi des lectures et des ressources obligatoires disponibles dans les librairies à proximité ou à l’école.

V. Justification

Ce module est conçu pour fournir aux étudiants une fondation de base en physique.

Celui-ci permettra aux étudiants d’apprendre la matière pour être capables d’expliquer et de justifier les principes de l’électronique. Le module est structuré de façon à ce l’apprenant ait à faire les activités exigées pour se réaliser au maximum. Le module entier fournira à l’étudiant des idées de base en ce qui a trait à ce qu’est la physique en matière de comportements et de caractéristiques des composantes principales et permettra donc d’enseigner une grande partie de la physique de l’école de façon efficace.

Vi. Contenu

6.1 Résumé

L’électronique est l’étude du flux de charge à travers divers matériaux et dispositifs, notamment les semiconducteurs, les résistances, les inducteurs, les condensateurs, les nanostructures et les tubes électroniques. Toutes les applications de l’électronique se traduisent par la transmission de l’énergie et si possible, de l’information. Bien que considérés comme étant la branche théorique de la physique, le modèle et la construction des circuits électroniques pour résoudre des problèmes pratiques sont une technique essentielle dans les domaines de l’ingénierie électronique et du génie informatique. L’étude de nouveaux dispositifs à semi-conducteur et de la technologie les entourant est parfois considérée comme une branche de la physique. Ce module se concentre sur les aspects technologiques de l’électronique. D’autres sujets importants tels les déchets électroniques et les impacts de la fabrication de semiconducteurs sur la santé au travail sont abordés. Ce cours d’électronique s’adresse aux étudiants s’inscrivant à l’inscription préalable et sur place au baccalauréat ès sciences avec éducation et au baccalauréat en éducation. Comme vous le savez peut-être, l’électro- nique est un domaine important de la physique moderne. Le module comprend six unités : circuits à diodes; circuits à transistors; amplificateurs opérationnels; circuits numériques; acquisition de données et commande de processus et interconnexion des ordinateurs et des dispositifs.

Dans la première unité/activité, p.ex., circuits de diodes, les étudiants doivent expliquer la génération de porteurs de charge, les semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques, la formation et l’application d’une jonction PN et doivent concevoir et analyser des circuits de diodes (p.ex., circuits d’alimentation électrique).

Dans la deuxième unité/activité, p.ex., circuits à transistors, les étudiants doivent expliquer la façon dont un transistor bipolaire à jonctions fonctionne ; construction et analyse d’un transistor bipolaire à jonctions de base en diverses configurations (EC, BE, BC); expliquer le fonctionnement d’un transistor à effet de champ de jonctions (TEC) ; construire et analyser des TEC dans les configurations (CD, CS); expliquer la façon dont un transistor MOS fonctionne et construire et analyser des circuits à transistors MOS.

Dans l’unité trois, les résultats d’apprentissage incluent que l’apprenant soit capable d’expliquer la réalisation d’un amplificateur opérationnel et de construire, analyser et synthétiser des circuits d’amplificateurs opérationnels.

Dans l’unité quatre, p.ex., circuits numériques, l’étudiant doit être capable de manipu- ler les nombres dans différentes bases (2, 8, 10, 16); d’appliquer l’algèbre booléenne dans la construction de circuits logiques ; de construire, d’analyser et de synthétiser des circuits logiques (multiplexeurs, décodeurs, bascules de Schmitt, bascules bis- tables, minuteries).

Dans l’unité cinq, l’apprenant devra expliquer le fonctionnement d’un transducteur en différents modes (tension, lumière, piézo, température); expliquer et appliquer les processus de conditionnement d’un signal de transduction; et appliquer un signal conditionné en forme numérique.

Enfin, dans l’activité six, p.ex., éléments du microordinateur 8-, 16- ou 32 bus in- formatiques, l’apprentissage devra inclure l’explication des composantes d’un mode système d’un microprocesseur.

6.2 Données générales

Activité 1 (20 heures)

Cricuits de diodes Révise la théorie de la bande d’énergie, la jonction PN et l’effet de diode, le circuit et les applications de diodes ordinaires.

Activité 2 (30 heures)

Circuits à transistors Transistor bipolaire à jonctions, amplificateur émetteur com- mun, amplificateur collecteur commun, amplificateur base commune. Le transistor à effet de champ à jonctions (TEC), amplificateur à TEC source commune, amplificateur à TEC drain commun. Transistor à effet de champ à grille isolée, circuits à transistor MOS de puissance, circuits à multiples transistors.

Activité 3 (10 heures)

Amplificateurs opérationnels amplificateurs en boucle ouverte, amplificateur idéal, analyse approximative, gain en boucle ouverte.

Activité 4 (30 heures)

Cricuits numériques Systèmes de numérisation, algèbre booléenne, éléments logiques, logique combinatoire. Multiplexeurs et décodeurs. Bascule de Schmitt, dispositif bistable d’accumulateur d’énergie, verrous et circuits flip flop sans entrée d’horloge. Circuits basculeur bistables avec entrée d’horloge, circuits dynamiques basculeur bistables avec entrée d’horloge et minuteries uniques.

Activité 5 (20 heures)

Acquisition de données et commande de processus Transducteurs, circuits à signal conditionné, oscillateurs, conversion analogique à numérique.

Activité 6 (10 heures)

Interconnexion des ordinateurs et des dispositifs Éléments du microordinateur à 8, 16 ou 32 bus informatiques.

6.3 Représentation graphique

3 6.2 GRAPHIC ORGANIZER

Electronics

A. Diode Circuits

B. Transistor Circuits:

C. Operational Amplifiers D. Digital Circuits

E. Data Acquisition and Process Control

F. Com puters and Device Interconnection

Review Energy band theory, The PN Junction and the Diode Effect, Circuit Appli cations of Or dinary Diodes

Bipolar Junction Transistor (BJT) Comm on Emitter Ampli fier, Comm on Coll ector Ampli fier, Comm on Base Ampli fier.

The Junction Field Effect Transistor (JFET),

JFET Comm on S ource Amplifier, JFET Common Drain Amplifier.

The Insulated-Gate Field Effect Transistor.

Power MOSFET Circuits. Multiple Transistor Circuits

Open-Loop Amplifiers, Ideal Ampli fier, Approximation Analysis, Open-Loop Gain Number Systems, Boolean Algebra,

Logic Gates, Combinational Logic.

Multiplexers and Decoders. Schmitt Trigger, Two-State Storage Elements, Latches and Un-Clocked Fli p-Flops.

Clocked Fli p-Flops, Dynamicall y clocked Flip-Flops, One-Shot Registers

Transducers, Signal Conditioning Circuits, Oscill ators, Analogue-to-Di gital Conversion

Elements of the Microcomputer 8-, 16- or 32- Bit Buses

Electronics

Vii. Objectifs généraux

À la fin de ce module, vous serez en mesure

• D’être conscient et d’appliquer les concepts et les circuits électroniques de base.

Viii. Objectifs spécifiques d’apprentissages

Unité d’apprentissage Objectifs 1. Circuits de diodes (20 heures)

• Révise la théorie de la bande d’énergie,

• La jonction PN et l’effet de diode,

• Circuit, applications de diodes ordinai- res.

Les étudiants doivent être capables de

• Expliquer la génération de porteurs de charge, les semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques

• Expliquer la formation et l’application de la jonction PN

• Construire et analyser les circuits de diodes (p.ex., circuits d’alimentation électrique)

2. Circuits à transistors : (25 heures)

• Transistor bipolaire à jonctions

• (Transistor bipolaire à jonctions);

amplificateur émetteur commun;

amplificateur collecteur commun, amplificateur base commune.

• Transistor à effet de champ à jonctions (TEC), amplificateur à TEC source commune, amplificateur à TEC drain commun.

• Transistor à effet de champ à grille isolée. Énergie

• Circuits à transistors MOS, Circuit à transistors multiples

Les étudiants doivent être capables de

• Expliquer la façon dont un transistor bipolaire à jonctions fonctionne

• Construire et analyser des circuits de base de transistors bipolaires à jonctions en différentes configurations (EC, BE, BC)

• Expliquer la façon dont le transistor à effet de champ fonctionne (théorie)

• Construire et analyser des circuits TEC en configurations CD et CS

• Expliquer la façon dont un transistor MOS fonctionne (théorie)

• Construire et analyser des circuits à transistors MOS

3. Amplificateurs opérationnels (10 heures)

• Amplificateurs en boucle ouverte,

• Amplificateurs idéaux, analyse approxi- mative, gain en boucle ouverte.

Les étudiants doivent être capables de

• Expliquer la construction de l’amplifica- teur opérationnel

• Construire, analyser et synthétiser des circuits amplificateurs opérationnels

4. Circuits numériques (30 heures)

• Systèmes de numérisation, algèbre booléenne, éléments logiques,

• Logique combinatoire,

• Multiplexeurs et décodeurs, bascule de Schmitt, bascule bistable,

• Verrous et circuits basculeurs bistables sans entrée d’horloge;

• Circuits dynamiques basculeurs bista- bles avec entrée d’horloge,

• Minuteries uniques

Les étudiants doivent être capables de

• manipuler des nombres en différentes bases (2, 8, 10, 16)

• Appliquer l’algèbre booléenne dans la construction de circuits logiques

• Construire, analyser et synthétiser des circuits logiques (multiplexeur, déco- deurs, bascules de Smchmitt, circuits flip-flops, minuteries)

5. Acquisition de données et commande du processus (20 heures)

• Transducteurs, signal conditionné

• Circuits, oscillateurs, conversion analo- gique à numérique

Les étudiants doivent être capables de

• Expliquer le fonctionnement d’un trans- ducteur en différents modes (tension, lumière, piézo, température)

• Expliquer et appliquer les processus de signal conditionné d’un transducteur

• Appliquer le signal conditionné en forme numérique

6. Interconnexion des ordinateurs et des dispositifs (15 heures)

• Éléments du microordinateur 8, 16 ou 32 bus informatiques

• Expliquer les niveaux de composantes d’un microprocesseur.

iX. Évaluation préliminaire

Êtes-vous prêts à apprendre l’électronique ?

Titre de l’évaluation anticipée : ÉLECTRONIQUE

Résumé : L’évaluation anticipée a pour objectif de déterminer ce dont l’apprenant se souvient et sait de l’électronique apprise à l’école et donc, d’orienter l’esprit de l’apprenant sur la charge de travail qui devra être couverte pendant ce cours. L’éva- luation préliminaire n’est conçue en aucune façon pour décourager l’apprenant, mais plutôt pour le motiver à commencer le cours avec beaucoup de préparation pour les défis à venir.

9.1 Auto-évaluation concernant l’électronique

1 La résistance de matériaux semi-conducteurs dans une cellule photoconductrice varie avec l’intensité de la lumière incidente.

a. directement b. inversement c. exponentiellement d. logarithmiquement

2 Une cellule solaire fonctionne sur le principe de a. diffusion

b. recombinaison c. transport des flux d. action photovoltaïque

3 Lequel de ces dispositifs a la plus grande sensibilité ? a. cellule photoconductrice

b. cellule photovoltaïque c. photodiode

d. phototransistor

4 En DEL, la lumière est émise parce que

a. la recombinaison de porteurs de charge se produit b. la lumière qui tombe sur la diode est amplifiée c. la lumière reflétée est attribuée à l’action de lentilles d. la diode est chauffée

5 Un transistor en série régulateur de tension est appelé émetteur-suiveur régulateur puisque l’émetteur du transistor de chute suit la tension.

a. base b. entrée c. sortie d. collecteur

6 Un régulateur de tension par découpage peut être de type : a. inverseur

b. élévateur c. abaisseur

d. toutes ces réponses

7 Un régulateur de tension idéal a une régulation de tension de a. 0

b. 1 c. 50 d. 100

8 Les dispositifs électroniques qui convertissent la puissance en courant continu en puissance c.a. se nomment

a. onduleurs b. redresseurs c. convertisseurs d. transformateurs

9 La sortie d’un redresseur à simple alternance convient seulement aux a. radios d’automobiles en marche

b. moteurs monophasés en marche c. enregistreurs magnétiques en marche d. piles en chargement

10 Lorsqu’utilisée dans un circuit, une diode Zener est toujours a. polarisée en direct

b. polarisée en inverse c. connectée en séries

d. dérangée par le surchauffage

11 Les diodes de Zener sont principalement utilisées comme a. redresseurs

b. amplificateurs c. oscillateurs

d. régulateurs de tension

12 Un régulateur shunt ampli op. diffère d’un régulateur en série dans la façon dont son élément de commande est connecté

a. séries avec résistance de ligne b. parallèle avec résistance de ligne c. parallèle avec résistance de charge d. parallèle avec tension d’entrée

13 Les systèmes numériques fonctionnent habituellement sur un système a. octal

c. binaire d. décimal e. hexadécimal

14 Le total de quatre bits binaires (1 + 1 + 1 + 1) donne a. 1111

b. 111 c. 110 d. 11

15 Le résultat de la multiplication binaire 111₂ x 10₂est a. 1101

b. 0110 c. 1001 d. 1110

16 Un TEC a des propriétés semblables à a. un transistor PNP

b. un transistor NPN

c. des tubes thermoélectriques d. un transistor unijonction

17 Le gain en tension d’un amplificateur à TEC source commune dépend de a. son impédance d’entrée

b. son facteur d’amplification c. sa résistance dynamique de drain d. sa résistance de charge de drain

18 L’impédance d’entrée extrêmement élevée d’un transistor MOS est principale- ment causée par

a. l’absence de son canal

b. sa porte source de tension négative c. sa diminution de porteurs de charge

d. le courant de fuite extrêmement petit de sa porte de condensateur 19 L’utilité principale d’un émetteur-suiveur est :

a. amplificateur de puissance b. adaptation d’impédance c. faible impédance

d. suiveur de signal de base

20 Le plus petit des quatre paramètres h d’un transistor est : a. hi

b. hr c. h0 d. hf Réponses clés 1. B

2. D 3. D 4. A 5. A 6. D 7. A 8. A 9. B 10. B

11. D 12. A 13. B 14. B 15. D 16. B 17. D 18. C 19. B 20. C

Commentaire pédagogique à l’intention des apprenants

L’évaluation préliminaire est conçue pour déterminer vos connaissances en électro- nique et pour vous préparer à l’étude de ce module. Les résultats de cette évaluation vous indiqueront les points à travailler et ceux sur lesquels vous devrez vous concen- trer le plus lors de l’étude et de l’apprentissage de ce module. Comme vous l’avez remarqué, la plupart des questions contiennent des sujets qui ne sont habituellement pas appris à l’école.

Au début de ce module, vous réviserez la théorie de la bande d’énergie que vous avez peut-être vue dans le cours de physique de l’état solide. Plus tard, vous apprendrez sur la jonction PN et l’effet de diode, le circuit et les applications des diodes ordi- naires. Vous devrez être en mesure d’expliquer la génération de porteurs de charge de semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques, la formation et l’application de la jonction PN et enfin, être capable de construire et d’analyser des circuits de diodes (p.ex., circuits d’alimentation électrique). Pour chaque autre activité, vous devez atteindre les objectifs convenus. Par conséquent, il est recommandé de faire chaque section de l’activité dans un ordre chronologique. Aux endroits où des connaissances antérieures sont nécessaires, vous devez tout d’abord faire chaque sujet avant d’aller plus loin.

De nombreuses références sont mentionnées tout au long de l’activité. Vous devez avoir accès à ces références en tout temps. La plupart d’entre elles sont en ligne. Si vous n’avez pas accès à Internet, il est recommandé de télécharger ces références et de les garder sur copies d’écran. Nombre de ressources multimédias sont également incluses. Elles sont très utiles puisqu’elles peuvent servir de professeur virtuel ou de laboratoire virtuel. On vous encourage à utiliser ces ressources multimédias en tout temps.

X. activités d’apprentissage et d’enseignement

Activité 1 : Circuits de diodes

Vous aurez besoin de 20 heures pour terminer cette activité. Seules des directives de base sont fournies pour vous aider à faire cette activité. La lecture et le travail personnel sont fortement recommandés.

Objectifs spécifiques d’apprentissage et d’enseignement Dans cette activité vous

(i) expliquerez la génération de porteurs de charge dans les semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques.

(ii) expliquerez la formation et l’application de la jonction PN.

(iii) construirez et analyserez des circuits de diodes (p.ex., circuits d’alimentation électrique).

Résumé de l’activité d’apprentissage

Cette activité inclut, entre autres, l’explication de la génération de porteurs de charge, les semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques, la formation et l’application de la jonction PN et enfin, la façon de construire et d’analyser des circuits de diodes (p.ex., circuits d’alimentation électrique).

Lectures OBLIGATOIRES Lecture 1

Référence complète : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics. 3octo- bre 2007

Résumé : Livre complet sur l’électronique qui traite, entre autres, de circuits analogiques, de tubes électroniques, de diodes, de transistors, d’amplificateurs, d’amplificateurs opérationnels et de multiplicateurs analogiques.

Justification : Chaque sujet est présenté de façon très simple rendant la lecture facile. Cependant, ce livre ne sert que de complément au processus d’apprentissage.

Lecture 2

Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/electronics. 5 octobre 2007

Résumé : Cette lecture est composée de références obtenues de plusieurs sites.

Leur adresse URL peut être obtenue à partir d’une présentation sur écran de cette lecture. En fait, tous les sujets importants de ce cours sont traités dans cette lecture 2.

Justification : Cette référence fournit des sources faciles à lire pour que le lecteur n’ait pas de problème.

Ressources multimédias

Référence : http://www.educypedia.be/electronics/javacollectors.htm.

Résumé : Cette ressource permet l’étude des caractéristiques du transistor NPN.

Justification : Ce site donne une expérience virtuelle simple qui peut être menée pour l’étude des caractéristiques du transistor NPN.

Référence : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit04.html

Justification : Cette ressource est pour un circuit d’un amplificateur en émetteur commun (EC) primitif qui comprend un transistor NPN et des bases externes -, collecteur - et résistances de charge. L’apprenant trouvera, pour une série fixe de composantes de paramètres, les rayons de tension d’entrée qui coupent, activent et saturent respectivement le transistor. Dans le cas d’applications analogiques, l’apprenant déterminera le gain différentiel en tension du circuit lorsque le transistor est dans le rayon actif. Pour ce qui est des applications numériques, l’apprenant doit trouver le plus petit gain en courant possible (bêta) et une résistance collectrice correspondante qui fait du circuit un convertisseur fonctionnel et logique.

Justification : Cette ressource aide à l’apprentissage de la polarisation d’un transistor NPN.

Référence : http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit01.html

Résumé : Cette ressource donne un circuit équivalent de Thévenin avec une charge dans laquelle l’énergie P est distribuée.

Justification : Ce site fournit une ressource utile dans l’apprentissage d’un diviseur de tension.

Liens utiles

Titre : Basic circuit analysis

Adresse URL :http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Com- puter-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.

  Résumé : Contiennent des diapositives de lecture accompagnant des vidéos htm.

de lecture et des descriptions de démonstrations en direct montrées par un instructeur.

Titre : Diodes

Adresse URL : http://jersey.uoregon.edu/~rayfrey/431/lab2_431.pdfhttp://

jersey.uoregon. edu/

Résumé : Ce site fournit du travail pratique sur les caractéristiques VI. De plus, le site fournit des lectures sur les jonctions de transistor, les commutateurs de transistor, les transistors saturés, etc.

Titre : Diode applications

Adresse URL : http://morley.eng.ua.edu/G332BW.pdf.

Résumé : Différentes applications des diodes sont présentées, notamment l’alimentation électrique, le redresseur à simple alternance, le pont redresseur, le redresseur à deux alternances avec filtre, etc.

Description détaillée de l’activité (Éléments théoriques principaux)

Activité 1.1 Révision de la théorie de la bande d’énergie

Concepts clés de la théorie de la bande d’énergie

Les concepts clés appris sur la théorie de la bande d’énergie en physique de l’état solide sont :

(i) Que les niveaux d’énergie disponibles forment ce que nous appelons des bandes.

(ii) Que dans les isolateurs, les électrons dans la bande de valence sont séparés de la bande de conduction par un large espace appelé largeur de bande inter- dite.

(iii) Que les isolateurs ont une bande de conduction vide, mais une bande de valence pleine.

(iv) Que dans les conducteurs comme les métaux, la bande de valence chevauche la bande de conduction. Il n’y a donc pas de structure pour établir les trous.

Le courant total d’une telle structure est simplement un flux d’électrons.

(v) Que les propriétés électriques d’un matériau semi-conducteur reposent entre celles des isolateurs et de bons conducteurs. En ce qui concerne la bande d’énergie, les semiconducteurs peuvent être définis comme étant des maté- riaux qui ont une bande de conduction presque vide et une bande de valence presque pleine. L’espace assez petit entre la bande de valence et la bande de conduction permet à la thermique ou autre excitation de le combler. Avec un si petit espace, la présence d’un petit pourcentage d’un matériau de dopage peut faire augmenter la conductivité de façon spectaculaire.

(vi) Que les électrons les plus à l’extérieur d’un atome, p.ex., ceux dans la couche la plus éloignée du noyau sont appelés électrons de valence et ont l’énergie la plus élevée ou le moins d’énergie de liaison.

(vii) Que la bande d’énergie occupée par les électrons de valence est appelée la bande de valence et qu’elle est la bande la plus occupée. Elle peut être complètement remplie ou partiellement remplie d’électrons, mais elle n’est jamais vide.

Tâche 1.1

Instructions importantes

1. Pour chaque tâche, vous devez faire de brefs commentaires en utilisant certai- nes des références données et en incluant celles auxquelles vous pouvez avoir accès.

2. Utilisez les livres électroniques disponibles et autres références, p.ex., http://hy- perphysics. phy-astr.gsu.edu; to

(a) Révisez votre cours de physique de l’état solide et rafraîchissez votre mémoire à propos des significations de : bande d’énergie, bande de valence, bande de conduction, largeur de bande et niveau de Ferni.

(b) Faites de brefs commentaires sur chacun de ces termes.

(c) Distinguez les conducteurs, les semiconducteurs et les isolateurs.

(d) Dessinez, côte à côte, des diagrammes montrant les bandes d’énergie dans les conducteurs, les semiconducteurs et les isolateurs.

(e) Expliquez ce que signifient semiconducteurs intrinsèques et énergie de liaison.

Points d’apprentissage 1.1

Dans cette section, vous apprendrez :

(i) Que la position du niveau de Fermi relative à la bande de conduction est un facteur important dans la détermination des propriétés électriques des maté- riaux.

(ii) Que la largeur de bande entre les bandes de valence dans un isolateur dit qu’à températures ordinaires, aucun électron ne peut atteindre la bande de conduction.

(iii) Que dans les semiconducteurs, la largeur de bande est assez petite pour que l’énergie thermique puisse combler l’espace pour une petite fraction d’élec- trons. Dans les conducteurs, il n’y a pas de largeur de bande interdite puisque la bande de valence chevauche la bande de conduction.

(iv) Que pour les semiconducteurs intrinsèques comme le silicium et le germanium, le niveau de Fermi est essentiellement à mi-chemin entre la bande de valence et la bande de conduction. Bien qu’aucune conduction ne se produise à 0 K, à des températures plus élevées, la largeur des bandes d’énergie interdites est diminuée et un nombre fini d’électrons peut atteindre la bande de conduction et fournir du courant. La conductivité d’un semiconducteur augmente avec la température.

(v) Qu’un semiconducteur intrinsèque est fait d’un matériau semi-conducteur dans sa forme extrêmement pure. Autrement, un semiconducteur intrinsèque peut être défini comme en étant un dans lequel le nombre de conductions d’électrons est égal au nombre de trous.

Activité 1.2 Origine des porteurs de charge

Nous pouvons développer ce concept en nous rappelant la structure de l’atome et ce que sont les électrons de valence.

Tâche 1.2.1

Afin de comprendre l’origine des porteurs de charge, effectuez les tâches suivantes (a) Lisez et écrivez de brefs commentaires sur la signification de la structure de

l’atome.

(b) Dessinez les structures de l’atome du germanium (Ge) et du silicium (Si). Des- sinez la distribution électronique d’un élément pour la comparer à la structure de l’atome est également une bonne pratique. Par exemple, la distribution électronique de l’atome de silicium (Z = 14) est montrée dans la figure 1.1.

1^st band 2^nd band Va lenc e band Conduc tion band

Figure1.1. Distribution électronique d’un atome de silicium

(c) La structure de l’atome que vous avez dessinée pour Ge devrait montrer que le germanium est composé de :

(i) un noyau central chargé positivement et

(ii) quatre électrons dans l’orbite la plus extérieure. Ces quatre électrons se nomment électrons de valence. Ceci est le même nombre d’électrons que dans la bande de valence.

1.2.2 Semiconducteurs intrinsèques : Électrons et trous

Des exemples communs de semiconducteurs sont le germanium et le silicium qui ont des largeurs de bandes interdites 0,72 eV et 1,1 eV respectivement. À des tem- pératures au-dessus de 0^º K, certains électrons sont excités à la bande de conduction en laissant derrière les trous chargés positivement dans la bande de valence, comme montrée dans la figure 1.2. Prenez note que seulement les bandes de valence et de conduction sont montrées, puisque les bandes les moins remplies ne sont d’aucune conséquence.

Bande de conduction Bande de valence 2^e bande

1^re bande

Figure 1.2. Électrons excités à la bande de conduction laissant les trous chargés positivement dans la bande de valence.

Si une tension externe est appliquée à travers le silicium, la conduction d’électrons bouge vers l’anode, pendant que les trous dans la bande de valence bougent vers la cathode (montré dans la figure 1.3). D’où le courant semi-conducteur qui consiste en un mouvement d’électrons et de trous en direction opposée.

Figure 1.3. La conduction d’électrons bouge vers l’anode (+), pendant que les trous dans la bande de valence bougent vers la cathode (-) lorsque la tension est appliquée à travers ceux-ci. La conduction de paires électron-trou formée constitue les porteurs de charge. Le nombre n , des porteurs de charge thermique générée par unité de _i volume est donné par l’équation (1).

Bande de conduction

Bande de valence

Électrons libres

Trous

Courant de

trous Courant d'électrons

( )

exp / 2

i g

n = N - E kT

(1)

N est la constante pour un semiconducteur donné, E est l’énergie de bande interdite, _g k est la constante de Boltzmann et T est la température en kelvins.

De la même façon, σ , d’un semiconducteur est donné par l’équation (2).

( )

i e h

n e

σ = μ + μ

(2)

où, e, est la charge électronique, μ_eest la mobilité de l’électron et

μ

_hest la mobilité du trou.

Points d’apprentissage 1.2

(i) À partir de la configuration des atomes, le nombre maximum d’électrons qu’une couche peut avoir est

2n

² ; dans la nième couche il y a n sous cou- ches qui ont différentes valeurs de 1 tel que 0, 1, 2, … (n-1); chaque sous couscouches peut loger un maximum de

^{2 2} ( ^{l + 1} )

^électrons.

(ii) Ge et Si ont quatre électrons dans la bande de valence ou dans la couche la plus externe.

(iii) les électrons de conduction sont trouvés et circulent librement dans la bande de conduction.

(iv) les trous existent et circulent dans la bande de valence.

(v) les électrons de conduction bougent presque deux fois plus vite que les élec- trons.

Activité 1.3. Niveau de Fermi dans un semiconducteur intrinsèque En thermodynamique statistique, le nombre d’électrons,

n

_c , dans la bande de conduction est donné par l’équation (3)

( )

c g

n = N P E ⋅

( ) ³

( )

^g

P E

est la probabilité qu’un.électron ait une énergieE . En utilisant la distribution _g de probabilité de Fermi-Dirac dans l’équation (4),

( )

_{( )}/

1 1 ^{E EF kT}

P E = e ^-

+

( ) ⁴ ( )

P E

probabilité de trouver un électron avec l’énergie E,

E

_F est le niveau de Fermi.

Cela signifie que :

( )

_{( )}/

1

1

^{g F}

g E E kT

P E = e

^-

+

( ) ⁵

Donc

( )^/

1

^{g F}

c E E kT

n N

e

^-

= +

( ) ⁶

Tâche 1.3.1 Exercice

(a) Utilisez l’information donnée dans les équations

( ) ( ) ^{3 - 6}

et montrez que

F g

/ 2 E = E

Indice : N = n_c+n_v = le nombre d’électrons dans les deux bandes; nv est le nombre d’électrons dans la bande de valence.

Points d’apprentissage 1.3 Les hypothèses faites sont que :

(i) les largeurs des bandes d’énergie sont petites comparées à la largeur de bande interdite entre elles.

(ii) puisque les largeurs des bandes sont petites, tous les niveaux d’énergie dans une bande ont la même énergie.

(iii) l’énergie de tous les niveaux dans la bande de valence est zéro.

(iv) l’énergie de tous les niveaux dans la bande de conduction est égale à E_g Activité 1.4. Semiconducteurs extrinsèques

Ici, vous apprendrez que :

A. Un semiconducteur est dit être dopé quand une extrême petite quantité d’im- pureté y est ajoutée. De tels semiconducteurs se nomment extrinsèques ou semiconducteurs impurs.

B. Les agents dopants communs sont :

(i) les atomes pentavalents ayant cinq électrons de valence (p.ex., arsenic, antimoine et phosphore).

(ii) des atomes trivalents ayant cinq électrons de valence (p.ex., gallium, indium, aluminium, bore).

C. L’atome pentavalent de dopage est connu comme atome donneur puisqu’il donne un électron à la bande de conduction de germanium pur.

D. L’atome trivalent de dopage se nomme accepteur puisqu’il accepte un électron de l’atome de germanium.

E. Par conséquent, deux types de semiconducteurs extrinsèques peuvent être formés. Ils sont : les semiconducteurs de type N et les semi-conducteurs de type P.

Activité 1.4.1 Semiconducteur de type N

Le semiconducteur de type N peut être formé lorsque l’antimoine est ajouté au Si en tant qu’impureté. Une illustration est montrée dans la figure 1.4. (a) Chaque atome d’antimoine forme des liaisons covalentes avec quatre atomes de germanium, mais le cinquième électron de l’antimoine demeure lié à celles-ci de façon approximative.

Cet électron libre peut facilement être excité par la bande de valence à la bande de conduction à l’application de champ électrique ou d’énergie thermique.

• Prenez note que chaque atome d’antimoine ajouté dans les réseaux de ger- manium donne un électron de conduction dans le réseau de germanium sans créer un trou positif.

Figure 1.4

(a) Semiconducteur de type formé en ajoutant l’antimoine au Si (b) Semiconducteur formé en ajoutant le bore au Si

L’atome donneur devient un ion chargé positivement après avoir donné un de ses électrons de valence, mais il ne peut prendre part à la conduction puisqu’il est fixé fermement dans le réseau cristallin.

L’ajout d’antimoine augmente beaucoup le nombre d’électrons de conduction. La concentration d’électrons dans la bande de conduction est donc augmentée et dépasse la concentration de trous dans la bande de valence. Dans cette situation, on voit que les électrons de semiconducteurs de type N sont les porteurs majoritaires tandis que les trous constituent les porteurs minoritaires. Lorsque le nombre de porteurs de charge dans la bande de conduction augmente, le niveau de Fermi augmente vers la bande de conduction, comme montré dans la figure Fig 1.5(b).

L’atome donneur donne des électrons libres

Antimoine ajouté en tant qu’impureté

Type N

Type P

L’atome accepteur créé un trou

Bore ajouté en tant qu’impu-

reté

Figure 1.5 Démontre les positions relatives du niveau de Fermi à la bande de conduction

Activité 1.5 Semiconducteur extrinsèque de type P Ici, vous apprendrez que :

Un semiconducteur extrinsèque de type P est formé lorsqu’un atome trivalent tel le bore est ajouté à du germanium cristal pur (ou du silicium cristal pur) tel que montré dans la figure 1.4(b). Les trois électrons de valence d’atome de bore forment des liaisons covalentes avec quatre atomes de silicium environnants, mais une liaison est laissée incomplète. Cela donne lieu à un trou. L’atome accepteur produit autant de trous positifs dans le silicium de cristal qu’il y a d’atomes de bore et un semicon- ducteur extrinsèque de type P est donc formé. Dans le semiconducteur de type P, la conduction est le mouvement des trous dans la bande de valence. Les trous constituent les porteurs majoritaires tandis que les électrons constituent les porteurs minoritaires.

Contrairement à ce qui se passe dans le semiconducteur de type N, le niveau de Fermi dans le type P change vers la bande de valence, Figure 1.5(a) puisque les porteurs majoritaires qui sont les trous, sont trouvés dans la bande de valence.

Activité 1.6 Conductivité des semiconducteurs intrinsèques

Dans un semiconducteur intrinsèque, le courant total

I

, est causé par la somme du flux des électrons et du courant des trous. Ceci est donné par l’équation

( ) ⁷

^.

e h

I = I + I

( ) ⁷

À partir de l’équation (7), on peut montrer que

( ) ⁱ I = n e

i

( μ

e

+ μ

h

) AV ^/ l

( ) ⁸

( ) ⁱⁱ

( )

1

i e h

ohm m

τ

n e

ρ = μ μ -

+

( ) ⁹ ( ) ⁱⁱⁱ

Densité de courant,

J = n e

i

( μ

e

+ μ

h

) E = σ

i

E

( ) ¹⁰

où A est la coupe transversale du semi-conducteur, V est la tension à travers sa longueur,

l

, E est le champ électrique. Les autres symboles ont leur signification habituelle.

Tâche 1.6.1 Prise de notes et vérifications d’équations

(a) Utilisez les références disponibles et vérifiez les équations (8), (9) et (10) Indice : Prenez note que dans un semiconduteur intrinsèque, n_i = p_i (le nombre de trous).

Activité 1.7 Conductivité du semiconducteur extrinsèque

Dans les semiconducteurs extrinsèques, la densité de courant, J, est donnée par les équations (11) et (12).

(i) Pour un semiconducteur de type N

J

n

= e n (

n e

μ + p

n h

μ ) E

.

( ) ¹¹

(ii) Pour un semiconducteur de type P

^J

^p

^{= e n} (

^{p e}

^{μ + p}

^{p h}

^μ ) ^E

^.

^{( ) 12}

où

n

_n

,

et

p

_n sont les densités de l’électron et du trou dans un semiconducteur de type N après le dopage et n_p^et

p

_psont l’électron et le trou dans un semiconducteur P après le dopage.

Tâche 1.7.1

• Vous devez essayer de résoudre plusieurs problèmes numériques relativement à l’activité 1.6 afin d’acquérir de la confiance dans ce sujet.

Activité 1.7.2 Dérives

Dans cette activité, vous apprendrez que :

Le mouvement dirigé des porteurs de charge dans les semiconducteurs se produit à partir de deux mécanismes :

i. Dérive d’une charge sous l’influence d’un champ électrique appliqué et ii. Diffusion d’une charge à partir d’une région de haute densité de charge à une

région de basse densité de charge.

Lorsqu’un champ électrique est appliqué à un cristal, les porteurs de charge atteignent un mouvement direct, lequel résulte en une vitesse moyenne nette appelée vitesse de dérive, v, dans la direction du champ électrique appliqué, E et produit un courant.

La relation entre v et E est :

v= μE

( ) ¹³

μ

est la mobilité.

La densité de courant totale causée par un électron et un trou de dérive est :

( )

e h e h e h

J = J +J =e nEμ +eμ pE =e nμ + pμ E

( ) ¹⁴

où n et p sont la densité électronique et la densité de trou respectivement.

Activité 1.7.3 : Diffusion

Les concepts principaux appris dans cette section sont :

(i) Que la diffusion est un flux de charge progressif à partir d’une région de haute densité à une région de basse densité qui mène finalement à un courant électrique sans qu’un champ électrique soit appliqué.

(ii) Que la diffusion des porteurs est proportionnelle au gradient de la densité de porteurs et la constante de diffusion ou le coefficient de diffusion D, lequel a une unité de m s .²/

(iii) Que la densité de courant causée par la diffusion de trou est :

h h

J eD dp

= - dx

. et

( ) ¹⁵

De la même façon, la densité de courant actuelle, causée par la diffusion d’électrons est :

e e

J eD dn

= - dx

^.

( ) ¹⁶

Où D D = constantes de diffusion d’un électron et d’un trou respectivement_e, _h

dn

dx

= gradient de densité d’électrons.

dp

dx

= gradient de densité de trous.

Pour voir une simulation de diffusion qui montre la façon dont le niveau de Fermi varie avec la concentration de porteurs, voir : http://jas.eng.buffalo.edu/education/

semicon/fermi/bandAndLevel/index.html. http://jas.eng.buffalo.edu/education/

semicon/fermi/bandAndLevel/index.html 10 octobre 2007.

Activité 1.7.4. Dérive combinée et courants de diffusion

Les processus de dérive et de diffusion peuvent être présents simultanément dans les semiconducteurs. Les expressions pour les densités totales d’un électron et d’un trou sont donc données par l’équation (17).

2 2

/ /

e e e h h h

dn dp

J e nE eD A m and J e pE eD A m

dx dx

μ μ

= + = -

( ) ¹⁷

Activité 1.7.5 Recombinaison

(i) La recombinaison est également un phénomène qui se produit dans les semi- conducteurs.

(ii) Elle est le résultat d’une collision entre un électron et un trou, alors que la conduction libre retourne à la bande de valence.

(iii) La recombinaison est accompagnée de l’émission d’énergie.

À part tout cela, la production thermique des paires électron-trou prend place de façon continue dans les semiconducteurs. Il y a donc un taux de recombinaison net donné par la différence entre la recombinaison et les taux de recombinaison.

Pour en apprendre plus sur la diffusion, la dérive et la recombinaison, connectez- vous à http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/diffusion/diffusion.htmlhttp://jas.

eng.buffalo.edu/education/semicon/diffusion/diffusion.html. 7 octobre 2007 Activité 1.8 Jonction PN

Dans cette section, vous apprendrez que :

(i) Une jonction PN est formée en joignant un semiconducteur dopé de type P et un semiconducteur dopé de type N dans une seule partie d’un semiconducteur.

(ii) Le plan qui divise le type P du type N se nomme jonction.

De plus, vous apprendrez que les trois phénomènes suivants surviennent :

1. Une mince couche ou zone désertée (aussi appelée zone de charge d’espace ou zone de transition) est établie de chaque côté de la jonction et qu’elle est appelée ainsi puisqu’elle est diminuée de porteurs de charge libre. Son épais- seur est d’environ 10^-6m. Voir figure 1.6.

2. Un potentiel de barrière ou un potentiel de jonction est développé à travers la jonction.

3. La présence d’une couche désertée donne lieu à une jonction et à des capacités de diffusion.

Activité 1.9 Formation d’une couche désertée Dans cette activité, les points importants à apprendre incluent :

(i) Qu’au début de la formation d’une jonction PN, la concentration de trous dans une zone P est plus grande que celle des électrons dans une zone N (où ils existent en tant que porteurs minoritaires).

(ii) Cette différence de concentration établit le gradient de densité à travers la jonction, lequel mène à certains des électrons libres et mobiles dans la zone N pour se répandre à travers la jonction et se combiner avec les trous, afin de former des ions négatifs.

(iii) Ces électrons libres laissent les ions positifs derrière, dans la zone N.

(iv) Par conséquent, une charge d’espace se développe, menant ainsi à la création d’une zone étroite à la jonction, appelée couche désertée. Voir figure 1.6.

(v) La couche désertée entrave tout autre transfert d’électrons, à moins que la jonction ne soit polarisée en direct.

Type P

Zone semiconducteur

La combinaison d’électrons et de trous diminue les trous dans la zone P et les électrons dans la zone N, près de la jonction.

Zone désertée Type N

électron trou

ion négatif d’un trou rempli ion positif d’un électron enlevé

Figure 1.6. Zone désertée formée des deux côtés de la jonction

Activité 1.10 Origine de la jonction ou de la tension seuil de

conduction

Les concepts clés à apprendre sont :

(i) Une différence de potentiel électrique V_B connue comme jonction ou tension seuil de conduction est établie à travers une jonction PN même lorsque la jonction est isolée de l’extérieur.

(ii) L’établissement d’un potentiel de barrière est causé par des rangées fixes d’ions chargées de façon opposée sur l’un ou l’autre des côtés de la couche.

(iii) L’existence d’un potentiel de barrière, V , arrête tout autre flux de porteurs _B à travers la jonction, à moins qu’il ne soit fourni par l’énergie d’une source externe.

(iv) À la température de la pièce de 300º K, V_B est environ 0,3 V pour Ge et 0,7 V pour Si.

(v) Le potentiel de barrière est donné par l’équation 18 :

log ^a2 ^d

B T e

i

V V N N

n

⎛ ⎞

= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

( ) ¹⁸

Où

N

d est la densité électronique,

N

_a est la densité du trou, n_iest la densité électronique avant le dopage,

T 300

V = V

23 19

1.38 10 300 1.6 10 26

kT mV

e

- -

× ×

= = =

×

Activité 1.11. Bande d’énergie PN en équilibre Ici, vous apprendrez que :

(i) En équilibre, le niveau de Fermi concorde avec les deux côtés de la jonction.

Les électrons et les trous atteignent donc un équilibre à la jonction et forment une zone désertée, comme démontré dans la figure 1.7.

(ii) La direction vers le haut dans la figure 1.7 représente une augmentation d’énergie d’électrons. Cela signifie que l’énergie doit être fournie pour qu’un électron s’élève dans le diagramme et pour que l’énergie fournie fasse en sorte qu’un trou baisse.

Zone désertée Niveau de Fermi Bande de conduction Bande de valence Jonction PN

Figure 1.7. Position du niveau de Fermi dans la bande d’énergie PN en équilibre

Activité 1.11 Bande d’énergie PN en polarisation directe

Dans cette section, vous apprendrez que lorsque la bande d’énergie PN est en pola- risation directe telle que démontré dans la figure 1.8 :

Les électrons dans la bande de conduction dans le matériau de type N sur la diffusion à travers la jonction se trouvent à une énergie plus élevée que les trous dans un ma- tériau de type P. Par conséquent, ils se combinent facilement avec ces trous, rendant un courant direct continu possible à travers la jonction.

Pour voir une démonstration d’une jonction PN sous polarisation, allez à http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html. 5 octobre 2007

La combinaison d’électrons et de trous se produit près de la jonction Les trous se déplacent vers la jonction à partir du côté positif Bande de conduction

Les électrons se déplacent vers la jonction à partir du côté négatif Bande de valence

Jonction PN

Figure 1.8. Bande d’énergie PN en polarisation directe

Activité 1.12. Conduction polarisée en direct

Voilà ce qui se produit lors d’une conduction polarisée en direct :

(i) Le courant direct dans une jonction PN comprend des électrons d’un maté- riau de type N qui se déplacent vers la gauche à travers la jonction et qui se combinent avec des trous dans le matériau de type P.

(ii) Les électrons se déplacent encore plus vers la gauche en sautant de trou en trou, donnant l’illusion que les trous se déplacent vers la droite. Voir figure 1. 9.

Figure 1. 9 Conduction polarisée en direct

Activité 1.13 Jonction PN polarisée en inverse

(i) Dans une jonction PN polarisée en inverse, figure 1.10, une tension inverse fait en sorte qu’un courant transitoire circule tandis que les électrons et les trous sont amenés loin de la jonction.

(ii) Le courant cessera, sauf dans le cas de petit courant thermique lorsque le po- tentiel formé par la zone de déplétion élargie est égal à la tension appliquée.

Zone de déplétion

Figure 1.10 Jonction PN polarisée en inverse

Activité 1.14 Bande d’énergie PN polarisée en inverse

Zone désertée Bande de valence Bande de conduction Jonction PN

Figure 1.11 Bande d’énergie PN polarisée en inverse

Dans une polarisation inversée, voici ce qui se produit :

(i) Le côté P devient plus négatif, le rendant finalement ardu pour les électrons se déplaçant au travers de la jonction telle que montrée dans la figure 1.11.

(ii) Dans le diagramme, la direction de conduction des électrons est de la droite vers la gauche et la direction vers le haut représente l’énergie d’électrons.

Activité 1.15 Diode à jonction PN (a) Construction

Une diode à jonction PN est un bipôle qui consiste en une jonction PN formée en Ge ou en Si cristal.

Figure 1.12 Diode de jonction PN (a)

(b)

Son symbole graphique est montré dans la figure 1.12 (b). Les zones de type P et N sont appelées anode et cathode, respectivement. Dans la figure 1.12 (b), la pointe de la flèche indique la direction habituelle de l’intensité de courant, lorsque polarisée en direct. La direction est la même pour le courant de trous.

Activité 1.16 Applications des diodes Activité 1.16.1 Redressement à une alternance

(a) (b)

Figure 1.13 Redressement à une alternance

Écrivez de brefs commentaires pour expliquer la façon dont la tension de sortie dans la figure 1.13 (c) est obtenue lorsque le courant alternatif, figure 1.13 (a), est alimenté au circuit dans la figure 1.13 (b). Utilisez la référence suivante :

http:// ourworld.compuserve.com/homepages/g_knott/elect205.htm. (6 octo- bre 2007)

Activité 1.16.2 Redressement à deux alternances

Dans cette activité, vous devez utiliser le diagramme de la figure 1.14 pour expliquer la façon dont le courant alternatif est totalement rectifié.

Entrée Sortie

Figure 1.14

Utilisez le schéma de la figure 1.14 pour expliquer la façon dont les diodes D₁, D₂, D₃, et D₄ provoquent un courant alternatif à être totalement rectifié.

Utilisez le lien suivant : http://ourworld.compuserve. com/homepages/g_knott/

elect207.htm.

6 octobre 2007

Activité 1.16.3 Doubleur de tension

Dans cette activité, vous devez utiliser le circuit de la figure 1.15 pour expliquer la façon dont la tension d’entrée est doublée à la sortie.

Figure 1.15 Doubleur de tension

Afin de décrire ce qui se produit dans un doubleur de tension, vous devez utiliser le concept appris lors de l’explication du travail d’un redresseur à une alternance.

Auto-évaluation

1. (a) Trouvez la concentration intrinsèque de porteurs dans le silicium à 350 K pour lequel

25 3

5 10 ,

_g

1.1

N = × m

^-

E =

^eV, k =^{1.38 10}× ^-23 J/K.

(b). En utilisant la solution du problème en (a), déterminez la conductivité du silicium si

e

0.14

μ = m V s

²

/ -

^et

μ =

_h

0.05 m V s

²

/ -

^.

2. (a) Utilisez les informations données dans les équations

( ) ( ) ^{3 - 6}

et démontrez que

E

_F

= E

_g

/ 2

Indice : N = n_c+n_v = le nombre d’électrons dans les deux bandes;

n

_v est le même que le nombre d’électrons dans la bande de valence.

3. (a) Bien qu’un semiconducteur de type N ait un excès d’électrons et qu’un semiconducteur de type P ait un excès de trous pour la conduction, ils demeurent toujours neutres électriquement. Expliquez pourquoi.

(b) Expliquez ce que signifient « excès » et « déficit » de conduction.

4. (a) Expliquez l’origine du potentiel de barrière.

(b) Identifiez les facteurs desquels dépend le potentiel de barrière.

(c) Expliquez la façon dont chacun de ces facteurs influence la magnitude du potentiel de barrière pour une jonction PN donnée.

Activité 2 : Circuits à transistors

Vous aurez besoin de 25 heures pour terminer cette activité. Seulement des directives de base sont fournies pour vous aider à faire cette activité.

Objectifs spécifiques d’apprentissage et d’enseignement

• Expliquer la façon dont un transistor bipolaire à jonctions fonctionne

• Construire et analyser un transistor bipolaire à jonctions de base en différentes configurations (EC, BE, BC)

• Expliquer la façon dont un transistor à effet de champ à jonctions (TEC) fonctionne

• Construire et analyser des circuits TEC en configurations CD et CS.

• Expliquer la façon dont un transistor MOS fonctionne

• Construire et analyser des circuits à transistor MOS.

Résumé de l’activité d’apprentissage

Cette activité concerne le fonctionnement du transistor bipolaire à jonctions. Cela inclut, entre autres, la jonction EB polarisée en direct ; la jonction BC polarisée en inverse, la tension, le courant et le contrôle de charge, la configuration des transistors, les circuits à transistors et les courants de fuite dans un transistor. Un certain nombre d’équations sont également dérivées. Ceci inclut, entre autres choses, la relation entre les courants de transistors. De plus, l’activité permet l’apprentissage des caractéristi- ques statiques d’un transistor, p.ex., les caractéristiques entrantes, les caractéristiques sortantes et les caractéristiques du transfert de courant constant (CC). La dernière partie de cette activité concerne le fonctionnement d’un transistor à effet de champs (TEC) et d’un transistor MOS.

Lectures obligatoires

Lecture 1 : Electronics WIKIBOOKS

Référence : http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics. 5 octobre 2007 Résumé : Les sujets traités dans cette lecture incluent : les circuits analogi- ques, les circuits numériques, les éléments des circuits numériques, l’archi- tecture d’ordinateur et convertisseurs analogique à numérique et numérique à analogique.

Justification : Cette lecture couvre de façon adéquate le cours de base en électronique, résumé dans l’activité.

Lecture 2 : Electronics

Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/electronics. 5 octobre 2007

Résumé : Cette lecture est formée de références obtenues à partir de plusieurs sites. Leur adresse URL peut être obtenue à partir d’une capture d’écran de cette lecture. En fait, tous les sujets importants de ce cours se retrouvent dans cette lecture 2.

Justification : Cette référence fournit des sources sur l’électronique faciles à lire. Le lecteur ne devrait pas avoir de problème à les utiliser.

Ressources MULTIMÉDIAS

Références : http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/in- dex. html.

4 octobre 2007

Résumé : La ressource démontre les niveaux de Fermi comparés à la concen- tration de porteurs et le dopage des donneurs comparé aux atomes accep- teurs.

Justification : Aide à l’apprentissage de la concentration de porteurs, du dopage des donneurs et des atomes receveurs.

Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/BjtFet/index.html.

4 octobre 2007

Résumé : Les étapes de fabrication d’une paire métal-oxyde-semiconducteur (MOS), d’un transistor à effet de champ (TEC) et d’un transistor bipolaire à jonctions sur une tranche de silicium sont illustrées dans cet applet. Les quatre touches, « first », « previous », « next » et « last » vous permettent de voir les fonds d’images à différentes étapes de la fabrication du dispositif. La touche « animate_next » vous montre les séquences temporelles de la vitesse de fabrication étape par étape. La capacité d’animation vous enseigne très clairement les étapes physiques impliquées. Les étapes de fabrication d’un semiconducteur comprennent plusieurs étapes physiques, chimiques et ther- miques. Cet applet vous permettra de les comprendre.

Justification : Ressource d’apprentissage utile.

Référence : http://jas.eng.buffalo.edu/education/transistor/n_MOS_IV/mosfet.

html.

4 octobre 2007

Résumé : Cette ressource présente un applet qui calcule et détermine les ca- ractéristiques sortantes d’un transistor MOS canal N (mode d’enrichissement).

Essayez de changer la gamme de la tension drain source et (ou) la valeur de départ de la polarisation de seuil (« début ») ou d’autres valeurs et voyez le

changement du courant drain comparé à la polarisation drain.

Justification : Ressource utile pour l’apprentissage du calcul et de la déter- mination des caractéristiques sortantes d’un transistor MOS canal N.

Liens utiles

Titre : MOSFET amplifier

Adresse URL : http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Com- puter-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.

htm. 4 octobre 2007

Résumé : Contient des diapositives de lecture accompagnant des vidéos de lecture et des descriptions de démonstrations en direct montrées par un ins- tructeur.

Titre : BJT and FET transistors

Adresse URL : http://www.nhn.ou.edu/~bumm/ELAB/Lect_Notes/BJT_

FET_transitors_v1_1.html.

3octobre 2007

Résumé : Ce site fournit du bon matériel de lecture sur les transistors bipo- laires à jonctions et sur les TEC.

Titre : Bipolar junction transistor.

Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Common_collector. 4 octo- bre 2007

Résumé : Fournit du très bon matériel de lecture sur la structure des transis- tors NPN, les transistors PNP, les transistors bipolaires à hétérojonction, les circuits de transistors et les applications des transistors.

Titre : CMOS.

Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS. 4 octobre 2007

Résumé : Fournit du bon matériel de lecture sur la structure du circuit NON- ET, de la commutation d’alimentation et de la fuite d’énergie.

Titre : Common Source

Adresse URL http://en.wikipedia.org/wiki/Common_source. 4 octo- bre 2007

Résumé : Fournit des lectures sur les caractéristiques de la largeur de bande.

Titre : JFET.

Adresse URL : http://en.wikipedia.org/wiki/JFET”. 4octobre 2007.

Résumé : Fournit du bon matériel de lecture sur la structure, la fonction, les symboles schématiques du TEC et une comparaison avec d’autres transis- tors.

Description détaillée de l’activité

Dans cette section, on présente un mélange de la théorie et des instructions sur ce que l’apprenant devrait faire pendant l’apprentissage de ce module. On suggère à l’apprenant de terminer chaque section complètement avant d’aller à la prochaine section ou activité. Pour chaque section, on conseille à l’apprenant de consulter les références recommandées. Ceci est important puisque les instructions et activités décrites sont en formes brèves.

Activité 2.1 Façon dont un transistor bipolaire à jonctions fonctionne

Dans cette section, vous apprendrez la façon dont le transistor bipolaire à jonctions fonctionne et les clés d’apprentissage incluront que :

(i) Un transistor bipolaire à jonctions consiste en trois zones de semiconducteurs dopés différemment, une zone émettrice, une zone de base et un collecteur. Ces régions sont respectivement, type p, type n et type p dans un transistor PNP, Figure 2.1

(

^a

)

, et type n, type p et type n dans un transistor NPN, Figure 2.1

(

^b

)

. Chaque zone de semiconducteur est connectée à un terminal, étiquetée de façon appropriée : émetteur

(

^E

)

^{, base}

(

^B

)

, et collecteur

(

^C

).

(ii) Un transistor bipolaire à jonctions peut être utilisé pour développer ou changer les applications.

(iii) Les transistors bipolaires sont appelés ainsi puisque leur fonctionnement nécessite les électrons et les trous.

(iv) Bien qu’une petite partie du transistor courant soit causé par le débit des por- teurs majoritaires, la majorité du transistor courant est causé par le débit des porteurs minoritaires. Les transistors bipolaires à jonctions sont donc classés comme étant des dispositifs porteurs minoritaires.

Transistor PNP Transistor NPN

Figure 2.1 Symboles schématiques des transistors bipolaires à jonctions de type PNP et NPN

(v) La flèche dans le symbole du transistor est sur la jambe émetteur et pointe dans la direction de l’intensité de courant habituelle lorsque le dispositif est en mode avant actif.