Syst Syst è è mes mes
É É lectroniques I lectroniques I
SEL1
SEL1 – – semestre semestre « « printemps printemps » » 2009 2009
Enseignement:
• cours : G05, Ma 13:00 – 14:35 (Chaque semaine) et B01a, Je 14:50 – 16:25 (semaines gauche)
• labos : B66b, Me 13:00 – 16:25 (semaines droites)
Notes:
• TE : 07.04.2009, 19.05.2009 (-> moyenne des 2 notes)
• labos : 1 Labotest le 2 juin 2009
• examen: session juin 2009
Contact:
• Prof. : Maurizio Tognolini, IAI (maurizio.tognolini@heig-vd.ch) bureau C03a, Tel. 024 557 64 12 sur rv. (pas le vendredi)
Balmer Informatique Industrielle SARL (skype: maurizio.tognolini) le vendredi.
• Assistant: Mr. M.Rapin, iAi
Pondération:
0.3 0.2 0.5
Contenu du cours Contenu du cours
partie digitale
(DSP, mémoire, E/S digitales)
Alimentation principale
(DC/DC, régulateurs
& références de tension) Interface analogique
(DC/DC, régulateurs
& références de tension)
Interface relais Convertisseur de
puissance
Alimentation de puissance PFC 7 kW
Vout = 150..320 V +/- 1V
Contenu du cours Contenu du cours
Sch Sch é é ma d ma d ’ ’ implantation typique implantation typique
z Rappels et introduction aux éléments semiconducteurs
z Alimentation à découpage à inductance simple
z Le transformateur de faible puissance
z Alimentation à découpage à transformateur
z Composants pour DC/DC
z Références de tensions
z Régulateurs de tension linéaires
z Régulateurs linéaires et effets des imperfections des AO
z Transmission de signaux avec séparation galvanique
z Éventl. Mesure de courant et tension
Contenu du cours Contenu du cours
Systèmes Électroniques I
Rappels et Introduction Rappels et Introduction
aux aux É É l l é é ments Semi ments Semi - - conducteurs
conducteurs
DéDéfinitionsfinitions
Définition « utilisateur »
Modèle « macroscopique » Modèle « physique »
R +
- U
I
J
e-
E
Section S
Tube de résistivité 〉 longueur l
densité J uniforme
champ E uniforme
Courant I entre sur borne positive (+)
Tension U de la borne positive à la borne négative
-> P>0 correspond à une puissance dissipée
Dû à sa charge (négative),
l’électron transite dans le
sens inverse du courant!
Structure Si Structure Si
Structure Silicium
Si Si
Si
Si
Si
Si Si
Si Si
Monocristal « rigide »
Chaque atome Si possède 4 e- de valence
Chaque liaison de valence contient 2 e-
Charge totale neutre (nbr. e- = nbr p+)
Champ E & température T
Si+ Si
Si
Si
Si
Si Si
Si Si
E
+ -
e-
Electron (e-) peu se libérer
A chaque e- libre correspond un noyau+
Densité d’e- libres = densité porteurs minoritaires.
Flux d’e- opposé au flux de « trous » (p+)
Structure Si Structure Si
Structure Silicium dopée n
As Si
Si
Si
Si
Si Si
Si Si
Monocristal avec atome «donneur»
Chaque atome donneur (ici As) possède 5 e- de valence
Et génère donc un e- libre (porteur majoritaire)
Charge totale reste neutre (nbr. e- = nbr p+)
Les porteurs minoritaires sont les « trous » dans les liaisons de valence des atomes, générés par des électrons se libérant des liaisons.
e-
Concentration de porteur (log)
n
p
Porteurs majoritaires (e-)
Porteurs minoritaires (trous)
Structure Si Structure Si
Structure Silicium dopée p
B Si
Si
Si
Si
Si Si
Si Si
Monocristal avec atome «récepteur»
Chaque atome récepteur (ici B) possède 3 e- de valence
Et génère donc un trou « libre » (porteur majoritaire)
Charge totale reste neutre (nbr. e- = nbr p+)
Les porteurs minoritaires sont les e- se plaçant dans les liaisons de valence vacantes des atomes.
Concentration de porteur (log)
p
n
Porteurs majoritaires (trous)
Porteurs minoritaires (e-)
« trou libre »
Jonction pn Jonction pn
La jonction pn (diode) au repos:
p
n
n
p C (log)
zone n zone p
Anode Cathode
+
- + -
+ - Q(x)
E(x)
V(x)
x
x
x
x
E
I
diffusion Par diffusion naturelle (Idiffusion), les concentrations de porteurs p et n vont se rejoindre.
Ceci génère une distribution de charges dans la zone de « déplétion »
Ces charges engendreront un champ électrique (loi de Gauss)
Le champ électrique s’opposera au courant de diffusion
On atteint l’équilibre, lorsque le champ électrique annule le courant de diffusion.
L’intégrale du champ électrique nous donne la barrière de tension de la diode au repos.
Lorsqu’on juxtapose une zone dopée p à une zone de dopage n:
Jonction pn Jonction pn
La jonction pn (diode) en conduction:
Anode Cathode
x
x
On diminue le champ dans la zone de déplétion.
Ceci génère une diminution de charges dans la zone de « déplétion » et un rétrécissement de celle-ci.
Cette diminution de charges se fera au profit des charges minoritaires, par rapport aux majoritaires.
(mode d’insertion de minoritaires)
Le champ ainsi diminué ne parviendra plus à s’opposer au courant de diffusion.
Il en résulte un courant dans le sens passant de la diode.
On démontre (physique des semi-conducteurs):
Lorsqu’on applique une tension positive entre anode et cathode:
UF
C (log)
p
n
n
p zone n
zone p
+
- + -
+ - Q(x)
E(x)
E
I
diffusionJonction pn Jonction pn
p
n
n
p zone n
zone p
Anode Cathode
+ -
+ -
Q(x)
x
x
E
I
diffusionC (log) On augmente le champ dans la zone de déplétion.
Ceci génère une augmentation de charges dans la zone de « déplétion » et un élargissement de celle- ci.
Cette augmentation de charges se fera au
détriment des charges minoritaires, par rapport aux majoritaires (mode d’extraction de minoritaires)
Le champ ainsi augmenté s’oppose d’avantage au courant de diffusion.
La charge accumulée dans la zone de déplétion augmentera avec la tension inverse.
Dans ce mode la diode se comporte donc comme une capacité.
Lorsqu’on applique une tension négative entre anode et cathode:
La jonction pn (diode) en blocage:
UR
Jonction pn Jonction pn
Anode Cathode
C (log)
Transition entre mode direct et blocage:
p
n
n
p zone n
zone p
- +
p
n
n
p
Lorsqu’on passe du mode direct (passant) au mode inverse (blocage) :
x IF
UF
Extraction de porteurs minoritaires
On passe du mode d’insertion au mode d’extraction de porteurs minoritaires.
Afin de correspondre à la densité du mode
d’extraction, il faut évacuer une certaine charge de porteurs minoritaires Qmin.
Cette évacuation correspond à un transitoire de courant négatif (« reverse recovery »). Rappel:
sens courant macroscopique = sens des trous.
t Q+min
IF
Irr
Transistor bipolaire Transistor bipolaire
Transistor bipolaire :
Le transistor bipolaire est formé de 3 couches successives de dopages différents (npn ou pnp) :
n+
n p Ic
C
E
B B
C
E
Les particularités de la structure sont les suivantes :
La largeur de la base est très courte (env. 2-3 fois une largeur de déplétion)
L’émetteur correspond à une zone de fort dopage (n+ ou p+).
Les 3 zones de dopages forment donc 2 jonctions pn (base-émetteur et base-collecteur)
La jonction de l’émetteur est désignée par une flèche dans le symbole du transistor.
Le sens de la flèche indique le sens passant (ou « forward ») de la jonction base- émetteur.
p p+ n
Ic E
C
B B
E
C
Transistor npn Transistor pnp
blocage
direct inverse
saturation
saturation
blocage direct
Le transistor bipolaire étant formé de 2 jonctions pn, ayant chacune 2 modes d’opération possible, ces modes d’opérations peuvent être divisés en 4 quadrants suivant le mode de polarisation de chacune de ces jonctions:
Modes d’opération du transistor bipolaire :
Transistor bipolaire Transistor bipolaire
Transistor npn Transistor pnp
B
E C
C
E
B IC=®.IBE C
E B
E
C B
E
C B
IC=®.IBE
E B
C UBC
UBE
UBC
UBE
UCE≥0.7V UCE< 0.7V
UCE> - 0.7V UCE≤- 0.7V
inverse
Une tension de jonction positive correspond au sens passant (diode en mode «forward»), une tension négative au mode bloquant (capa)
!!
Uniquement transitoire
!!
Uniquement transitoire
Caractéristiques du transistor bipolaire :
Transistor bipolaire Transistor bipolaire
Le transistor bipolaire est commandé par la jonction base-émetteur: le courant de base détermine sur quelle courbe on se trouve dans la caractéristique IC= f(UCE). On y distingue également les domaines de fonctionnement linéaire et saturé.
Transistor npn (Transistor pnp)
Uearly IBE
UBE (-UBE)
(-IBE) IC
UCE (-UCE) (-IC)
IBE1 IBE2 IBE3 IBE4
saturé linéaire
Transistor MOSFET Transistor MOSFET
Source Drain
Grille (gate)
Transistor MOSFET :
MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.
Structure du type n:
n
p
n
Grille : «plaque» métallisée Oxide de Si comme isolant (diélectrique)
Substrat (type p) relié à la source
Symbole du type n:
G
S D
Effet de champ (field effect):
S D
G
n
p
n UGS < VTH
Zone de déplétion induite par effet de champ.
Porteur n remplissent les liaisons d’atomes «vides»
S D
G
n
p
n UGS ≥ VTH
Zone de type n (canal) induite par effet de champ.
Conductivité ⌠ du canal dépendra de V .
Transistor MOSFET Transistor MOSFET
Effet de «pincement» du MOSFET :
Ce phénomène apparaît, lorsque la tension VDS devient non-négligeable par rapport à VGS.
Rétrécissement du canal: Pincement complet (pinch off):
S D
G
n p n
UGS > VTH
UDS
VCanal
US=0 UDS
x
S D
G
n p n
UGS > VTH
UDS ≥UGS-VTH
Lorsque la tension UDSatteint UGS-VTH, le canal est rétrécis à zéro.
A ce moment, le courant IDSn’augmente plus et on a:
Dans ce mode le MOSFET se comporte comme source de courant.
Transistor MOSFET Transistor MOSFET
Composants « parasites » du MOSFET :
Structure du type n:
Source Drain
Grille (gate)
n
p n
Capacité: grille-source
Symbole du type n:
G
S D
CGS
Jonction pn = diode «intrinsèque»
Remarques:
La diode intrinsèque se comporte également comme « capa » en polarisation inverse.
Les capacités parasites influencent le comportement transitoire du transistor.
Dans certaines applications, la diode intrinsèque sert de diode de « roue libre ».
Transistor MOSFET Transistor MOSFET
UDS UGS
IDS
Zone « saturée » Mode source de courant
IDS1 IDS2 IDS3 IDS4
Zone « linéaire » Mode conduc- tion
VTH
Limite entre lin. / sat.
S G D
A1. Zone linéarisée
S G D
A2. Zone « pincement »
S G D
