Cours d’Électronique Analogique

1. Introduction

2. Les diodes à semi-conducteurs et Applications

3. Le transistor bipolaire et applications

4. Le transistor à effet de champ

5. Applications des amplificateurs opérationnels

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• Conducteurs, Isolants et Semi-conducteurs

 Semi-conducteurs : ni conducteur, ni isolant

Colonne IV : Si, Ge, …

Association colonnes III-V : AsGa, …

Tableau de Mendeleïev

2
• Conducteurs, Isolants et Semi-conducteurs

 Semi-conducteurs

 10-3 cm < Résistivité < 104 cm

 Exemples : Si, Ge, AsGa …

 La conduction électrique se fait par les e- et/ou les trous

 Semi-conducteurs intrinsèque (pur) ou extrinsèque (dopé)

 105 atomes de silicium assez pur avec un atome de Bore ou de

Phosphore fait passer la résistivité de 103 à environ 10-2 cm

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• Quelques propriétés des semi-conducteurs

 Semi-conducteurs de la colonne IV (exemple : Si, Ge)

 Les e- d’un atome isolé prennent des valeurs d’énergie discrètes

 Pour chaque niveau : le nombre d’électrons est limité (2n2)
 Les niveaux les plus proches du noyau sont occupés

 Pour le Si : Numéro atomique Z=14

2 e- sur la première couche (n=1)
8 e- sur la seconde (n=2)
4 e- sur la dernière (nombre de places 18 pour n=3)

4
• Semi-conducteurs intrinsèques

Cristal électriquement neutre : n = p = ni

avec ni concentration intrinsèque des porteurs de charges à l’équilibre :

ni = 1.4 1010 cm-3 pour le Si à la température ambiante.

5
• Semi-conducteurs extrinsèques

 Semi-conducteurs de type N

 Cristal de Si dopé par des impuretés de type Donneur d’e- en faible

quantité (exemple : le phosphore)
 Une faible énergie (0.04eV), par exemple due à une élévation de

température, peut libérer le cinquième e- de l’atome de phosphore.

La conduction est assurée par électrons

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• Semi-conducteurs extrinsèques

 Semi-conducteurs de type P

 Cristal de Si dopé par des impuretés de type Accepteur d’e- en faible

quantité (exemple : le Bore)
 Une faible énergie (0.04eV), par exemple due à une élévation de

température, permet à l’atome de Bore de substituer un e- à un proche

voisin. La conduction est assurée par trous

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• Jonction PN
Un semi-conducteur seul (N ou P) présente peu d’intérêt. C’est l’association de
plusieurs SC qui permet de réaliser des composants SC (diode, transistor, …).

Jonction PN non polarisée à l’équilibre

8
 Jonction PN non polarisée à l’équilibre

L’association de deux SC de types différents réalise ce qu’on appelle une

jonction PN. Cette association provoque un gradient de porteurs de
charges :

 Les trous mobiles majoritaires diffusent de la zone P vers la zone N

(e- majoritaires) et se combinent avec les e-.

 Les e- mobiles majoritaires diffusent de la zone N vers la zone P (h +

majoritaires) et se combinent avec les h+.

 Chaque h+ (e-) majoritaire quittant le SC P (N) laisse derrière lui un

anion (cation) fixe.
 Ces ions sont localisés au niveau de la jonction. Ils sont à l’origine d’un
champ électrique qui s’oppose au passage du courant. Ce champ électrique
dérive d’un potentiel appelée tension seuil de la jonction PN.

Vs  0.7V pour le Si et de 0.3V pour le Ge

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• Courants dans une jonction PN polarisée en direct

ID ID
P N

VD VD

ID(mA)

- Is (pA)

VD (v)

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 • Courant dans une jonction PN polarisée en direct

  VD  
I D  I S exp   1
  VT  

 : Coefficient d'idéalisation (dépend de la technologie) 1≤  <2

IS : dépend de la température et de l’énergie de gap ;

IS = B.T3 exp (-Eg/KT) ;

VT=KT/q : unité thermodynamique (25 mV à la température ambiante) ;

q : Charge de l'électron = 1.6x10-19C ;

K : Constante de Boltzman = 1.38x10-23 J/K;
T : Température absolue (en degré Kelvin).
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 • Caractéristique statique de la diode
Modèle non linéaire :
ID(mA)

i0  V  
R I0 I D  I S exp D   1
  VT  
E
V0

Ii00
 ID 

E  RI D  VT ln   1 
 IS  VD (v)

V0

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• Modèles électriques de la diode

13
 • Modèles électriques de la diode
Diode passante :
Modèle approché Modèle simplifié Modèle idéal
R I0 R I0 R I0

E Rd E 0.6V E
V0 V0 V0 0V
0.6V

I0 = (E - Vseuil)/ (R + Rd) I0 = (E - Vseuil) / R I0 = E/ R

V0 = (VseuilR + E Rd) / (R + Rd) V0 = Vseuil V0 = 0

Diode bloquée :
R I0= 0

E
V0=E

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 • Effet de la valeur de E sur le choix du modèle :
 E >> Vseuil
I0 R I0
E 0.6V E
V0 V0 0V
10V

IIi000  10V  0, 6V  /1K   9, 4mA I0i0  10V /1K   10mA

Vv00  0, 6V Vv0  0V
6% d’écart en courant

 E ≈ Vseuil
R I0 R I0
E 0.6V E
V0 V0 0V
1V

I0Ii00  1V  0, 6V  /1K   0, 4mA I0i0  1V /1K   1mA

Vv00  0, 6V Vv00  0V
60% d’écart en courant
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 • États de la diode

V0 < Vseuil
R I0 Hypothèse 1 : la diode est bloquée
E
10V V0  E Calcul 1 : V0

Non
V0 > Vseuil ?

V0 > Vseuil Oui

R I0
Hypothèse 2 : la diode est passante
E 0.6v
V0
10V
Calcul 2 : V0

Fin
I0i0  10V  0, 6V  / R
V0  0, 6V
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• Modèle petits signaux basses fréquences

 Schéma équivalent dynamique

correspondant au point de fct :

1
 dI 
Rd =  d  = résistance dynamique
 dVd 
 Vd  0 
en direct
1
 dI 
Ri =  d  = résistance dynamique
 dVd 
 Vd  0 
en inverse

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À la température ambiante : Rd     1
I d mA
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• Modèle petits signaux hautes fréquences

 Limitation à haute fréquence :

Pour des raisons physiques, le courant Id ne peut suivre les variations

instantanées de Vd au delà d’une certaine fréquence.
 Apparition d’un déphasage entre Id et Vd

Modèle petits signaux haute fréquence (Vd > VS) :

rc

 Cd 
I dQ Ordre de grandeur : Cd ~ 40 nF à 1mA, 300K.
rsc VT
= “capacité de diffusion”

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Exercice 1 : Circuits à diodes

19
20
Exercice 2 : Circuits à diodes

21
22
• Diode Zener
R ID
E +
VD
-

Zone de conduction Zone de conduction

en inverse : Zone Zener Zone de blocage normale

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 • Diode électroluminescente
Une diode électroluminescente (LED) est un
composant électronique permettant de
transformer un signal électrique en énergie
lumineuse proportionnelle.

Bande de conduction La diode émet un rayonnement dont la longueur d'onde dépend

du type de matériau semi-conducteur utilisé (Si : silicium, Ge :
Ec germanium, AsGa : arséniure de gallium...), et de son dopage.
g

 g  0.7m  E g  1.77eV
Ev
1, 24
Bande de valence g 
(mm) E g (eV)  g  0.5m  E g  2.48eV
I0
R

+ V0
- E

La résistance R limite le courant traversant la LED 24

1. Introduction

2. Les diodes à semi-conducteurs et Applications

3. Le transistor bipolaire et applications

4. Le transistor à effet de champ

5. Applications des amplificateurs opérationnels

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 • Applications des diodes à jonction PN
Transformation d’une tension alternative (220V et 50Hz) en une tension continue.

Transformateur :
 Il permet d’abaisser la tension alternative du secteur à une valeur convenable et il
conserve la puissance électrique.
 Il permet l’isolation galvanique primaire-secondaire.

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2 - Redressement mono alternance

 RL représente la résistance d’entrée du système que l’on alimente.

 La diode ne laisse passer que l’alternance positive du signal eg.

 Vs tension seuil de la diode.

1 T EM
Vmoy  0 VR ( t ) dt 
T 

EM

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2 - Redressement mono alternance
Caractéristiques du redresseur :
Le redresseur fournit une tension continue mais superposée avec une
tension variable souvent gênante, on définit le facteur d'ondulation
(ou de forme) par :
( VR ( t )  Vmoy )eff 2
Veff 2
Vmoy
F F
Vmoy Vmoy
Ce facteur est d’autant plus faible que la tension redressée se
rapproche d’une tension continue.

Le rendement en puissance du redresseur est définit par :

Pu

Pe
Pu : la puissance utile
Pe : la puissance délivrée à l’entrée du redresseur.
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2 - Redressement mono alternance / double alternance
Comparaison entre les différents redresseurs
Type du redresseur :
Mono-alternance Transfo point milieu Pont redresseur

❶ ❷ ❸

Pont de Graetz
Signal de sortie
typique
❶ ❷ ❸
Nbre de diodes 1 2 4
Rendement puiss 40.6% 81.2% 81.2%
Facteur de forme 1.21 0.48 0.48
Fréquence de sortie fin 2fin 2fin
Tension inverse Vemax 2Vemax Vemax 29
3 - Redressement mono alternance avec filtrage

La mise en parallèle d’un condensateur C sur la résistance RL

permet de réduire l’amplitude de la composante alternative ; les
harmoniques passent par C et la résistance RL est traversée
uniquement par le courant continue. On choisi des condensateurs
électrochimiques de fortes valeurs.

DV

30
 Effet de CL

Mono / double alternances

Remarques :
- période est divisée par 2
- l’ondulation est divisée par 2
- le signal redressé est filtré peut être assimilé à un signal en dents de scies (voir TDs).

31
Exercice 3-a : Redressement

32
33
Exercice 3-b : Filtrage

34
35
4 – Stabilisation d’une tension
À base d’une diode Zener
 Le but est de supprimer l’ondulation résiduelle après le filtrage capacitif.
 La tension de rupture VZ (tension Zener ) est la tension que l’on souhaite avoir
sur la charge.

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4 – Stabilisation d’une tension
Dans les conditions de fonctionnement normal, les variations citées
plus haut sont faibles. En petits signaux, le régulateur peut être
représenté par un quadripôle linéaire :

 vu   vu  vu 1
S   
 R i   
 C T 
 va  iu  0  iu  va  0 Vu T

vu(t) = S . va(t) + Ri . iu(t)

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4 – Stabilisation d’une tension
Le but est de supprimer l’ondulation résiduelle après le filtrage capacitif.
 La tension de rupture (VZ) est la tension que l’on souhaite avoir sur la charge.
 R est une résistance de protection.

Régulateur de tension

Rz R Rz
S et Ri  Rz<< RL
R Rz R Rz

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4 – Stabilisation d’une tension
À base d’un circuit intégré

 Les régulateurs de tension de référence 78XX stabilise une tension de sortie

positive. Et 79XX stabilise une tension négative.
 Exemple MC 7805 C :

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 4 – Stabilisation d’une tension
À base d’un circuit intégré Régulation d’une tension
négative : LM337
 Régulateur de tension de sortie variable :

Le régulateur LM317 fourni à sa sortie une tension de référence : Vref =1.25V

On fixe R1 à 1.2KΩ. VL dépend directement de R2 comme suit :

40
Exercice : Régulation d’une tension

41
42