Dispositifs à semi-conducteurs - Guide rapide
Il est largement admis que la distance entre un noyau et l'électron d'un atome particulier n'est pas égale. Normalement, les électrons tournent sur une orbite bien définie. Un nombre particulier d'électrons ne peut être retenu que par une enveloppe externe ou une orbite. La conductivité électrique d'un atome est principalement influencée par les électrons de la coque externe. Ces électrons ont beaucoup à voir avec la conductivité électrique.
Conducteurs et isolateurs
La conduction électrique est le résultat d'un mouvement irrégulier ou incontrôlé d'électrons. Ces mouvements font que certains atomes sont bonselectrical conductors. Un matériau avec un tel type d'atomes a de nombreux électrons libres dans sa coquille externe ou son orbite.
Comparativement, un insulating materiala un nombre relativement petit d'électrons libres. Par conséquent, les électrons de l'enveloppe externe des isolants ont tendance à tenir fermement leur place et ne permettent guère à aucun courant de les traverser. Par conséquent, dans un matériau isolant, il y a très peu de conductivité électrique.
Semi-conducteurs
Entre les conducteurs et les isolants, il existe une troisième classification des atomes (matériau) appelés semi-conducteurs. Généralement, la conductivité d'un semi-conducteur se situe entre les conductivités des métaux et des isolants. Cependant, à température nulle absolue, le semi-conducteur agit également comme un isolant parfait.
Silicon et germaniumsont les éléments semi-conducteurs les plus connus. L'oxyde de cuivre, le sulfure de cadmium et l'arséniure de gallium sont d'autres composés semi-conducteurs fréquemment utilisés. Ces types de matériaux sont généralement classés comme éléments de type IVB. De tels atomes ont quatre électrons de valence. S'ils peuvent abandonner quatre électrons de valence, la stabilité peut être obtenue. Il peut également être réalisé en acceptant quatre électrons.
Stabilité d'un atome
Le concept de stabilité d'un atome est un facteur important dans le statut des matériaux semi-conducteurs. Le nombre maximum d'électrons dans la bande de valence est de 8. Lorsqu'il y a exactement 8 électrons dans la bande de valence, on peut dire que l'atome est stable. Dans unstable atom, la liaison des électrons de valence est très rigide. Ces types d'atomes sont d'excellents isolants. Dans de tels atomes, les électrons libres ne sont pas disponibles pour la conductivité électrique.
Des exemples d'éléments stabilisés sont des gaz tels que l'argon, le xénon, le néon et le krypton. En raison de leur propriété, ces gaz ne peuvent pas être mélangés avec d'autres matériaux et sont généralement connus sous le nom deinert gases.
Si le nombre d'électrons de valence dans l'enveloppe externe est inférieur à 8, alors l'atome est dit instable, c'est-à-dire que les atomes ayant moins de 8 électrons de valence sont instables. Ils essaient toujours d'emprunter ou de donner des électrons aux atomes voisins pour devenir stables. Les atomes de la couche externe avec 5, 6 ou 7 électrons de valence ont tendance à emprunter des électrons à d'autres atomes pour rechercher la stabilité, tandis que les atomes avec un, deux ou trois électrons de valence ont tendance à libérer ces électrons vers d'autres atomes proches.
Tout ce qui a du poids est de la matière. Selon la théorie de l'atome, toute matière, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse, est composée d'atomes. Un atome contient une partie centrale appelée noyau, qui contient les neutrons et les protons. Normalement, les protons sont des particules chargées positivement et les neutrons sont des particules chargées de manière neutre. Les électrons qui sont des particules chargées négativement sont disposés en orbites autour du noyau d'une manière similaire au réseau de planètes autour du Soleil. La figure suivante montre la composition d'un atome.
On trouve que les atomes de différents éléments ont un nombre différent de protons, de neutrons et d'électrons. Pour distinguer un atome d'un autre ou pour classer les différents atomes, un nombre qui indique le nombre de protons dans le noyau d'un atome donné, est attribué aux atomes de chaque élément identifié. Ce numéro est connu sous le nom deatomic numberde l'élément. Les numéros atomiques de certains des éléments associés à l'étude des semi-conducteurs sont donnés dans le tableau suivant.
Élément | symbole | Numéro atomique |
---|---|---|
Silicium | Si | 14 |
Germanium | Ge | 32 |
Arsenic | Comme | 33 |
Antimoine | Sb | 51 |
Indium | Dans | 49 |
Gallium | Géorgie | 31 |
Bore | B | 5 |
Normalement, un atome a un nombre égal de protons et d'électrons planétaires pour maintenir sa charge nette à zéro. Les atomes se combinent fréquemment pour former des molécules ou des composés stabilisés grâce à leurs électrons de valence disponibles.
Le processus de combinaison d'électrons de valence libres est généralement appelé bonding. Voici les différents types de liaisons qui ont lieu dans les combinaisons d'atomes.
- Une liaison ionique
- Liaison covalente
- Collage métallique
Parlons maintenant en détail de ces liaisons atomiques.
Une liaison ionique
Chaque atome recherche la stabilité lorsque les atomes se lient pour former des molécules. Lorsque la bande de valence contient 8 électrons, on dit qu'il s'agit d'unstabilized condition. Lorsque les électrons de valence d'un atome se combinent avec ceux d'un autre atome pour devenir stables, on l'appelleionic bonding.
Si un atome a plus de 4 électrons de valence dans la coque externe, il recherche des électrons supplémentaires. Un tel atome est souvent appelé unacceptor.
Si un atome contient moins de 4 électrons de valence dans la coque externe, il essaie de sortir de ces électrons. Ces atomes sont connus commedonors.
Dans la liaison ionique, les atomes donneur et accepteur se combinent fréquemment et la combinaison se stabilise. Le sel commun est un exemple courant de liaison ionique.
Les figures suivantes illustrent un exemple d'atomes indépendants et de liaisons ioniques.
On peut voir sur la figure ci-dessus que l'atome de sodium (Na) donne son 1 électron de valence à l'atome de chlorure (Cl) qui a 7 électrons de valence. L'atome de chlorure devient immédiatement suréquilibré négativement lorsqu'il obtient l'électron supplémentaire, ce qui fait que l'atome devient un ion négatif. Alors que d'un autre côté, l'atome de sodium perd son électron de valence et l'atome de sodium devient alors un ion positif. Comme nous le savons, contrairement aux charges, les atomes de sodium et de chlorure sont liés entre eux par une force électrostatique.
Liaison covalente
Lorsque les électrons de valence d'atomes voisins sont partagés avec d'autres atomes, une liaison covalente se produit. Dans la liaison covalente, les ions ne se forment pas. Il s'agit d'une dissemblance unique dans la liaison covalente et la liaison ionique.
Lorsqu'un atome contient quatre électrons de valence dans la coque externe, il peut partager un électron avec quatre atomes voisins. Une force covalente est établie entre les deux électrons de liaison. Ces électrons décalent alternativement des orbites entre les atomes. Cette force covalente lie les atomes individuels ensemble. Une illustration de la liaison covalente est montrée dans les figures suivantes.
Dans cet arrangement, seuls les électrons de noyau et de valence de chaque atome sont représentés. Les paires d'électrons sont créées parce que les atomes individuels sont liés ensemble. Dans ce cas, cinq atomes sont nécessaires pour compléter l'action de liaison. Le processus de liaison s'élargit dans toutes les directions. Chaque atome est maintenant lié ensemble dans un réseau de réseau et une structure cristalline est formée par ce réseau de réseau.
Collage métallique
Le troisième type de liaison se produit généralement dans de bons conducteurs électriques et il est appelé liaison métallique. Dans la liaison métallique, une force électrostatique existe entre les ions positifs et les électrons. Par exemple, la bande de valence du cuivre a un électron dans sa couche externe. Cet électron a tendance à se déplacer autour du matériau entre différents atomes.
Lorsque cet électron quitte un atome, il entre instantanément sur l'orbite d'un autre atome. Le processus est répétitif sans interruption. Un atome devient un ion positif lorsqu'un électron le quitte. C'est unrandom process. Cela signifie qu'un électron est toujours lié à un atome. Cela ne signifie pas que l'électron est associé à une orbite particulière. Il se déplace toujours sur des orbites différentes. En conséquence, tous les atomes sont susceptibles de partager tous les électrons de valence.
Les électrons traînent dans un nuage qui recouvre les ions positifs. Ce nuage planant lie les électrons de manière aléatoire aux ions. La figure suivante montre un exemple de liaison métallique du cuivre.
Le nombre d'électrons dans l'anneau externe d'un atome est toujours la raison de la différence entre les conducteurs et les isolants. Comme nous le savons, les matériaux solides sont principalement utilisés dans les appareils électriques pour réaliser la conduction électronique. Ces matériaux peuvent être séparés en conducteurs, semi-conducteurs et isolants.
Cependant, les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants sont différenciés par des diagrammes de niveau d'énergie. La quantité d'énergie nécessaire pour qu'un électron quitte sa bande de valence et entre en conduction sera prise en compte ici. Le diagramme est un composite de tous les atomes du matériau. Les diagrammes de niveau d'énergie des isolateurs, des semi-conducteurs et des conducteurs sont présentés dans la figure suivante.
Valence Band
La partie inférieure est le valence band. Il représente les niveaux d'énergie les plus proches du noyau de l'atome et les niveaux d'énergie dans la bande de cantonnière contiennent le nombre correct d'électrons nécessaire pour équilibrer la charge positive du noyau. Ainsi, cette bande s'appelle lefilled band.
Dans la bande de valence, les électrons sont étroitement liés au noyau. En se déplaçant vers le haut dans le niveau d'énergie, les électrons sont plus légèrement liés à chaque niveau suivant vers le noyau. Il n'est pas facile de perturber les électrons dans les niveaux d'énergie plus proches du noyau, car leur mouvement nécessite des énergies plus importantes et chaque orbite d'électrons a un niveau d'énergie distinct.
Bande de conduction
La bande supérieure ou extérieure du diagramme est appelée conduction band. Si un électron a un niveau d'énergie, qui se situe dans cette bande, et est relativement libre de se déplacer dans le cristal, alors il conduit le courant électrique.
En électronique à semi-conducteurs, nous nous intéressons principalement aux bandes de valence et de conduction. Voici quelques informations de base à ce sujet -
La bande de valence de chaque atome montre les niveaux d'énergie des électrons de valence dans la coque externe.
Une quantité définie d'énergie doit être ajoutée aux électrons de valence pour les amener à entrer dans la bande de conduction.
Espace interdit
Les bandes de valence et de conduction sont séparées par un espace, partout où il existe, appelé écart interdit. Pour franchir l'espace interdit, une quantité d'énergie définie est nécessaire. S'il est insuffisant, les électrons ne sont pas libérés pour la conduction. Les électrons resteront dans la bande de valence jusqu'à ce qu'ils reçoivent de l'énergie supplémentaire pour traverser l'espace interdit.
L'état de conduction d'un matériau particulier peut être indiqué par la largeur de l'espace interdit. En théorie atomique, la largeur de l'écart est exprimée en électron-volts (eV). Un électron-volt est défini comme la quantité d'énergie gagnée ou perdue lorsqu'un électron est soumis à une différence de potentiel de 1 V. Les atomes de chaque élément ont une valeur de niveau d'énergie différente qui permet la conduction.
Notez que le forbidden regiond'un isolant est relativement large. La mise en conduction d'un isolant nécessitera une très grande quantité d'énergie. Par exemple, Thyrite.
Si les isolateurs fonctionnent à des températures élevées, l'augmentation de l'énergie thermique amène les électrons de la bande de valence à se déplacer dans la bande de conduction.
Comme il ressort clairement du diagramme de bande d'énergie, l'écart interdit d'un semi-conducteur est beaucoup plus petit que celui d'un isolant. Par exemple, le silicium a besoin de gagner 0,7 eV d'énergie pour entrer dans la bande de conduction. A température ambiante, l'ajout d'énergie thermique peut être suffisant pour provoquer une conduction dans un semi-conducteur. Cette caractéristique particulière est d'une grande importance dans les dispositifs électroniques à semi-conducteurs.
Dans le cas d'un conducteur, la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent partiellement. En un sens, il n'y a pas de vide interdit. Par conséquent, les électrons de la bande de valence sont capables de se libérer pour devenir des électrons libres. Normalement, à température ambiante normale, peu de conduction électrique a lieu dans le conducteur.
Comme discuté précédemment, il peut y avoir un ou plusieurs électrons libres par atome qui se déplacent tout au long de l'intérieur du métal sous l'influence d'un champ appliqué.
La figure suivante montre la répartition de la charge dans un métal. Il est connu comme leelectron-gas description of a metal.
le hashed regionreprésente le noyau avec une charge positive. Les points bleus représentent les électrons de valence dans la coque externe d'un atome. Fondamentalement, ces électrons n'appartiennent à aucun atome spécifique et, par conséquent, ils ont perdu leur identité individuelle et se déplacent librement d'atome en atome.
Lorsque les électrons sont dans un mouvement ininterrompu, la direction du transport est modifiée à chaque collision avec les ions lourds. Ceci est basé sur la théorie électron-gaz d'un métal. La distance moyenne entre les collisions est appeléemean free path. Les électrons, traversant une unité de surface, dans le métal dans le sens opposé en un temps donné, sur une base aléatoire, rendent le courant moyen nul.
Lorsque la tension est appliquée aux dispositifs à semi-conducteurs, le courant électronique circule vers le côté positif de la source et le courant des trous s'écoule vers le côté négatif de la source. Une telle situation se produit uniquement dans un matériau semi-conducteur.
Le silicium et le germanium sont les matériaux semi-conducteurs les plus courants. Généralement, la conductivité d'un semi-conducteur se situe entre les conductivités des métaux et des isolants.
Germanium comme semi-conducteur
Voici quelques points importants sur Germanium -
Il y a quatre électrons dans l'orbite la plus externe du germanium. Dans les liaisons, les atomes sont représentés avec leurs électrons extérieurs uniquement.
Les atomes de germanium partageront des électrons de valence dans une liaison covalente. Ceci est illustré dans la figure suivante. Le germanium est celui qui est associé à la liaison covalente. La forme cristalline du germanium est appelée les réseaux cristallins. Ce type de structure a les atomes disposés de la manière illustrée dans la figure suivante.
Dans une telle disposition, les électrons sont dans un état très stable et sont donc moins appropriés pour être associés à des conducteurs. Dans sa forme pure, le germanium est un matériau isolant et est appelé comme unintrinsic semiconductor.
La figure suivante montre les structures atomiques du silicium et du germanium.
Le silicium comme semi-conducteur
Les dispositifs à semi-conducteurs utilisent également du silicium dans la fabrication de divers composants électroniques. La structure atomique du silicium et du germanium est représentée sur la figure ci-dessus. La structure du réseau cristallin du silicium est similaire à celle du germanium.
Voici quelques-uns des points importants sur le silicium -
Il a quatre électrons dans sa couche la plus externe comme le germanium.
Dans sa forme pure, il ne sert à rien comme dispositif semi-conducteur.
Une quantité souhaitée de conductivité peut être obtenue en ajoutant des impuretés.
L'ajout d'impuretés doit être effectué avec soin et dans un environnement contrôlé.
Selon le type d'impureté ajoutée, cela créera soit un excès, soit un déficit d'électrons.
La figure suivante montre le cristal intrinsèque du silicium.
Le silicium pur ou le germanium sont rarement utilisés comme semi-conducteurs. Les semi-conducteurs pratiquement utilisables doivent avoir une quantité contrôlée d'impuretés qui leur est ajoutée. L'ajout d'impureté modifiera la capacité du conducteur et agit comme un semi-conducteur. Le processus d'ajout d'une impureté à un matériau intrinsèque ou pur est appelédoping et l'impureté est appelée un dopant. Après dopage, un matériau intrinsèque devient un matériau extrinsèque. Pratiquement seulement après dopage, ces matériaux deviennent utilisables.
Lorsqu'une impureté est ajoutée au silicium ou au germanium sans modifier la structure cristalline, un matériau de type N est produit. Dans certains atomes, les électrons ont cinq électrons dans leur bande de valence comme l'arsenic (As) et l'antimoine (Sb). Le dopage du silicium avec l'une ou l'autre des impuretés ne doit pas modifier la structure cristalline ou le processus de liaison. L'électron supplémentaire de l'atome d'impureté ne participe pas à une liaison covalente. Ces électrons sont vaguement maintenus ensemble par leurs atomes d'origine. La figure suivante montre l'altération du cristal de silicium avec l'ajout d'un atome d'impureté.
Effet du dopage sur les matériaux de type N
L'effet du dopage sur un matériau de type N est le suivant -
Lors de l'ajout d'arsenic au silicium pur, le cristal devient un matériau de type N.
L'atome d'arsenic a des électrons supplémentaires ou des charges négatives qui ne participent pas au processus de liaison covalente.
Ces impuretés abandonnent ou donnent, un électron au cristal et elles sont appelées impuretés donneuses.
Un matériau de type N a des électrons supplémentaires ou libres qu'un matériau intrinsèque.
Un matériau de type N n'est pas chargé négativement. En fait, tous ses atomes sont tous électriquement neutres.
Ces électrons supplémentaires ne participent pas au processus de liaison covalente. Ils sont libres de se déplacer à travers la structure cristalline.
Un cristal de silicium extrinsèque de type N entrera en conduction avec seulement 0,005eV d'énergie appliquée.
Seulement 0,7 eV est nécessaire pour déplacer les électrons du cristal intrinsèque de la bande de valence dans la bande de conduction.
Normalement, les électrons sont considérés comme les porteurs de courant majoritaires dans ce type de cristal et les trous sont les porteurs de courant minoritaires. La quantité de matière donneuse ajoutée au silicium détermine le nombre de porteurs actuels majoritaires dans sa structure.
Le nombre d'électrons dans un silicium de type N est plusieurs fois supérieur aux paires électron-trou du silicium intrinsèque. A température ambiante, il existe une différence ferme dans la conductivité électrique de ce matériau. Les porteurs de courant sont abondants pour participer au flux de courant. Le flux de courant est réalisé principalement par des électrons dans ce type de matériau. Par conséquent, un matériau extrinsèque devient un bon conducteur électrique.
Effet du dopage sur les matériaux de type P
L'effet du dopage sur un matériau de type P est le suivant -
Lorsque de l'indium (In) ou du gallium (Ga) est ajouté au silicium pur, un matériau de type P se forme.
Ce type de matériau dopant a trois électrons de valence. Ils recherchent avec impatience un quatrième électron.
Dans un matériau de type P, chaque trou peut être rempli d'un électron. Pour remplir cette zone de trou, les électrons des groupes liés covalents voisins nécessitent très moins d'énergie.
Le silicium est typiquement dopé avec un matériau dopant dans la plage de 1 à 106. Cela signifie que le matériau P aura beaucoup plus de trous que les paires électron-trou du silicium pur.
A température ambiante, il existe une différence caractéristique très déterminée dans la conductivité électrique de ce matériau.
La figure suivante montre comment la structure cristalline du silicium est modifiée lorsqu'il est dopé avec un élément accepteur - dans ce cas, l'indium. Un morceau de matériau P n'est pas chargé positivement. Ses atomes sont principalement tous électriquement neutres.
Il existe cependant des trous dans la structure covalente de nombreux groupes d'atomes. Lorsqu'un électron entre et remplit un trou, le trou devient vide. Un nouveau trou est créé dans le groupe lié où l'électron est parti. Le mouvement du trou est en effet le résultat du mouvement des électrons. Un matériau de type P entrera en conduction avec seulement 0,05 eV d'énergie appliquée.
La figure ci-dessus montre comment un cristal de type P répondra lorsqu'il est connecté à une source de tension. Notez qu'il existe un plus grand nombre de trous que d'électrons. Avec la tension appliquée, les électrons sont attirés vers la borne positive de la batterie.
Les trous se déplacent, dans un sens, vers la borne négative de la batterie. Un électron est capté à ce stade. L'électron remplit immédiatement un trou. Le trou devient alors vide. En même temps, un électron est tiré du matériau par la borne positive de la batterie. Les trous se déplacent donc vers la borne négative en raison du déplacement des électrons entre différents groupes liés. Avec l'énergie appliquée, l'écoulement des trous est continu.
Une structure cristalline faite de matériaux P et N est généralement connue sous le nom de junction diode. Il est généralement considéré comme un appareil à deux terminaux. Comme le montre le schéma suivant, une borne est fixée à un matériau de type P et l'autre à un matériau de type N.
Le point de liaison commun où ces matériaux sont connectés est appelé un junction. Une diode de jonction permet aux porteurs de courant de circuler dans un sens et d'obstruer la circulation du courant dans le sens inverse.
La figure suivante montre la structure cristalline d'une diode à jonction. Regardez l'emplacement des matériaux de type P et de type N par rapport à la jonction. La structure du cristal est continue d'un bout à l'autre. La jonction agit uniquement comme un point de séparation qui représente la fin d'un matériau et le début de l'autre. Une telle structure permet aux électrons de se déplacer complètement dans toute la structure.
Le schéma suivant montre deux portions de substance semi-conductrice avant qu'elles ne soient formées en une jonction PN. Comme spécifié, chaque partie du matériau amajority et minority current carriers.
La quantité de symboles de support montrés dans chaque matériel indique la fonction minoritaire ou majoritaire. Comme nous le savons, les électrons sont les porteurs majoritaires dans le matériau de type N et les trous sont les porteurs minoritaires. Dans un matériau de type P, les trous sont les porteurs majoritaires et les électrons sont minoritaires.
Au départ, lorsqu'une diode de jonction est formée, il existe une interaction unique entre les porteurs de courant. Dans un matériau de type N, les électrons se déplacent facilement à travers la jonction pour remplir les trous dans le matériau P. Cet acte est communément appelédiffusion. La diffusion est le résultat d'une forte accumulation de porteurs dans un matériau et d'un rassemblement plus faible dans l'autre.
Généralement, les porteurs de courant proches de la jonction ne participent qu'au processus de diffusion. Les électrons quittant le matériau N provoquent la génération d'ions positifs à leur place. En entrant dans le matériau P pour remplir les trous, des ions négatifs sont créés par ces électrons. En conséquence, chaque côté de la jonction contient un grand nombre d'ions positifs et négatifs.
La zone où ces trous et électrons s'épuisent est généralement connue sous le nom de région d'appauvrissement. C'est un domaine où il y a un manque de transporteurs actuels majoritaires. Normalement, une région d'appauvrissement est développée lorsque la jonction PN est formée. La figure suivante montre la région d'appauvrissement d'une diode à jonction.
Les matériaux de type N et de type P sont considérés comme électriquement neutres avant d'être assemblés à une jonction commune. Cependant, après que la diffusion de jonction a lieu instantanément, lorsque les électrons traversent la jonction pour remplir les trous provoquant l'émergence d'ions négatifs dans le matériau P, cette action amène la zone proche de la jonction à prendre une charge négative. Les électrons quittant le matériau N le font générer des ions positifs.
Tout ce processus, à son tour, amène le côté N de la jonction à prendre une charge positive nette. Cette création de charge particulière a tendance à éloigner les électrons et les trous restants de la jonction. Cette action rend quelque peu difficile la diffusion d'autres porteurs de charge à travers la jonction. En conséquence, la charge s'accumule ou un potentiel de barrière émerge à travers la jonction.
Comme le montre la figure suivante. Le potentiel de barrière résultant a une petite batterie connectée à travers la jonction PN. Sur la figure donnée, observez la polarité de cette barrière de potentiel par rapport aux matériaux P et N. Cette tension ou potentiel existera lorsque le cristal n'est pas connecté à une source d'énergie externe.
Le potentiel de barrière du germanium est d'environ 0,3 V et celui du silicium de 0,7 V. Ces valeurs ne peuvent pas être mesurées directement et apparaissent à travers la région de charge d'espace de la jonction. Afin de produire une conduction de courant, le potentiel de barrière d'une jonction PN doit être surmonté par une source de tension externe.
Le terme polarisation fait référence à l'application d'une tension continue pour établir certaines conditions de fonctionnement. Ou lorsqu'une source d'énergie externe est appliquée à une jonction PN, on parle de tension de polarisation ou simplement de polarisation. Cette méthode augmente ou diminue le potentiel de barrière de la jonction. En conséquence, la réduction du potentiel de barrière amène les porteurs actuels à retourner dans la région d'appauvrissement. Les deux conditions de polarisation suivantes sont appliquées aux jonctions PN.
Forward Biasing - Une tension externe est ajoutée de la même polarité au potentiel de barrière, ce qui provoque une augmentation de la largeur de la zone d'appauvrissement.
Reverse Biasing - Une jonction PN est polarisée de telle manière que l'application d'une action de tension externe empêche les porteurs de courant d'entrer dans la région d'appauvrissement.
Biais avant
La figure suivante montre une diode de jonction PN polarisée en direct avec une tension externe appliquée. Vous pouvez voir que la borne positive de la batterie est connectée au matériau P et la borne négative de la batterie est connectée au matériau N.
Voici les observations -
Cette tension de polarisation repousse les porteurs de courant majoritaires de chaque matériau de type P et N. En conséquence, un grand nombre de trous et d'électrons commencent à apparaître à la jonction.
Sur le côté N de la jonction, les électrons se déplacent pour neutraliser les ions positifs dans la région d'appauvrissement.
Sur le matériau côté P, les électrons sont tirés des ions négatifs, ce qui les ramène à la neutralité. Cela signifie que la polarisation directe effondre la région d'appauvrissement et donc également le potentiel de barrière. Cela signifie que lorsque la jonction PN est polarisée en direct, elle permettra un flux de courant continu.
La figure suivante montre le flux des porteurs de courant d'une diode polarisée en direct. Une alimentation constante en électrons est disponible grâce à une source de tension externe connectée à la diode. Le flux et la direction du courant sont indiqués par de grandes flèches à l'extérieur de la diode dans le diagramme. Notez que le flux d'électrons et le flux de courant font référence à la même chose.
Voici les observations -
Supposons que les électrons circulent à travers un fil de la borne négative de la batterie au matériau N. En entrant dans ce matériau, ils s'écoulent immédiatement vers la jonction.
De même, de l'autre côté, un nombre égal d'électrons sont tirés du côté P et sont renvoyés à la borne positive de la batterie. Cette action crée de nouveaux trous et les amène à se déplacer vers la jonction.
Lorsque ces trous et électrons atteignent la jonction, ils se rejoignent et disparaissent effectivement. En conséquence, de nouveaux trous et électrons émergent aux extrémités extérieures de la diode. Ces porteurs majoritaires sont créés sur une base continue. Cette action se poursuit tant que la source de tension externe est appliquée.
Lorsque la diode est polarisée en direct, on peut remarquer que les électrons traversent toute la structure de la diode. Ceci est courant dans le matériau de type N, tandis que dans le matériau P, les trous sont les porteurs de courant en mouvement. Notez que le mouvement du trou dans une direction doit commencer par un mouvement d'électrons dans la direction opposée. Par conséquent, le flux de courant total est l'addition de trous et les électrons circulent à travers une diode.
Biais inversé
La figure suivante montre une diode de jonction PN polarisée en inverse avec une tension externe appliquée. Vous pouvez voir que la borne positive de la batterie est connectée au matériau N et la borne négative de la batterie est connectée au matériau P. Notez que dans un tel agencement, la polarité de la batterie doit s'opposer à la polarité du matériau de la diode de sorte que des charges dissemblables s'attirent. Par conséquent, la majorité des porteurs de charge de chaque matériau sont éloignés de la jonction. La polarisation inverse rend la diode non conductrice.
La figure suivante montre la disposition des porteurs de courant majoritaires dans une diode polarisée en inverse.
Voici les observations -
En raison de l'action du circuit, les électrons du matériau N sont attirés vers la borne positive de la batterie.
Chaque électron qui déplace ou quitte la diode fait émerger un ion positif à sa place. Il en résulte une augmentation équivalente de la largeur de la région d'appauvrissement du côté N de la jonction.
Le côté P de la diode a un effet similaire à celui du côté N. Dans cette action, un certain nombre d'électrons quittent la borne négative de la batterie et pénètrent dans le matériau de type P.
Ces électrons se déplacent alors immédiatement et remplissent un certain nombre de trous. Chaque trou occupé devient alors un ion négatif. Ces ions sont à leur tour repoussés par la borne négative de la batterie et entraînés vers la jonction. Pour cette raison, il y a une augmentation de la largeur de la région d'appauvrissement du côté P de la jonction.
La largeur totale de la région d'appauvrissement dépend directement d'une source de tension externe d'une diode polarisée en inverse. Dans ce cas, la diode ne peut pas supporter efficacement le flux de courant à travers la large région d'appauvrissement. En conséquence, la charge potentielle commence à se développer à travers la jonction et augmente jusqu'à ce que le potentiel de barrière soit égal à la tension de polarisation externe. Après cela, la diode se comporte comme un non-conducteur.
Une limitation de conduction importante de la diode à jonction PN est leakage current. Lorsqu'une diode est polarisée en inverse, la largeur de la région d'appauvrissement augmente. En général, cette condition est nécessaire pour limiter l'accumulation de porteuses de courant à proximité de la jonction. La majorité des porteurs de courant sont principalement annulés dans la région d'appauvrissement et, par conséquent, la région d'appauvrissement agit comme un isolant. Normalement, les porteurs de courant ne passent pas à travers un isolant.
On voit que dans une diode polarisée en inverse, un certain courant traverse la région d'appauvrissement. Ce courant est appelé courant de fuite. Le courant de fuite dépend des porteurs de courant minoritaires. Comme on sait que les porteurs minoritaires sont des électrons dans le matériau de type P et des trous dans le matériau de type N.
La figure suivante montre comment les porteurs de courant réagissent lorsqu'une diode est polarisée en inverse.
Voici les observations -
Les porteurs minoritaires de chaque matériau sont poussés à travers la zone de déplétion jusqu'à la jonction. Cette action provoque un très faible courant de fuite. Généralement, le courant de fuite est si faible qu'il peut être considéré comme négligeable.
Ici, en cas de courant de fuite, la température joue un rôle important. Les porteurs de courant minoritaires dépendent principalement de la température.
À des températures ambiantes de 25 ° C ou 78 ° F, il y a une quantité négligeable de porteurs minoritaires présents dans une diode de polarisation inverse.
Lorsque la température ambiante augmente, cela provoque une augmentation significative de la création de porteurs minoritaires et, par conséquent, une augmentation correspondante du courant de fuite.
Dans toutes les diodes polarisées en inverse, l'apparition d'un courant de fuite est normale dans une certaine mesure. Dans les diodes au germanium et au silicium, le courant de fuite n'est que de quelquesmicroamperes et nanoamperes, respectivement. Le germanium est beaucoup plus sensible à la température que le silicium. Pour cette raison, le silicium est principalement utilisé dans les dispositifs à semi-conducteurs modernes.
Il existe diverses échelles de courant pour les opérations de polarisation directe et inverse. La partie avant de la courbe indique que la diode conduit simplement lorsque la région P est rendue positive et la région N négative.
La diode ne conduit presque pas de courant dans le sens de haute résistance, c'est-à-dire lorsque la prégion est rendue négative et que la région N est rendue positive. Maintenant, les trous et les électrons sont drainés loin de la jonction, provoquant une augmentation du potentiel de barrière. Cette condition est indiquée par la partie de courant inverse de la courbe.
La section en pointillés de la courbe indique le ideal curve, ce qui en résulterait s'il n'y avait pas de panne d'avalanche. La figure suivante montre la caractéristique statique d'une diode à jonction.
Caractéristiques DIODE IV
Les caractéristiques de tension de courant direct et inverse (IV) d'une diode sont généralement comparées sur une seule courbe caractéristique. La figure représentée sous la section Caractéristiques directes montre que la tension directe et la tension inverse sont généralement tracées sur la ligne horizontale du graphique.
Les valeurs de courant avant et arrière sont affichées sur l'axe vertical du graphique. Tension directe représentée à droite et tension inverse à gauche. Le point de départ ou la valeur zéro est au centre du graphique. Le courant avant s'allonge au-dessus de l'axe horizontal avec le courant inverse s'étendant vers le bas.
Les valeurs combinées de la tension directe et du courant direct sont situées dans la partie supérieure droite du graphique et de la tension inverse et du courant inverse dans le coin inférieur gauche. Différentes échelles sont normalement utilisées pour afficher les valeurs avant et arrière.
Caractéristique avant
Lorsqu'une diode est polarisée en direct, elle conduit le courant (IF) dans le sens direct. La valeur de IF dépend directement de la quantité de tension directe. La relation entre la tension directe et le courant direct est appelée ampère-volt, ou caractéristique IV d'une diode. Une caractéristique typique de diode directe IV est illustrée dans la figure suivante.
Voici les observations -
La tension directe est mesurée à travers la diode et le courant direct est une mesure du courant traversant la diode.
Lorsque la tension directe aux bornes de la diode est égale à 0 V, le courant direct (IF) est égal à 0 mA.
Lorsque la valeur commence au point de départ (0) du graphique, si VF est progressivement augmentée par pas de 0,1 V, IF commence à augmenter.
Lorsque la valeur de VF est suffisamment grande pour surmonter le potentiel de barrière de la jonction PN, une augmentation considérable de FI se produit. Le point auquel cela se produit est souvent appelé tension du genouVK. Pour les diodes au germanium,VK est d'environ 0,3 V et 0,7 V pour le silicium.
Si la valeur de IF augmente bien au-delà VK, le courant direct devient assez important.
Cette opération provoque le développement d'une chaleur excessive à travers la jonction et peut détruire une diode. Pour éviter cette situation, une résistance de protection est connectée en série avec la diode. Cette résistance limite le courant direct à sa valeur nominale maximale. Normalement, une résistance de limitation de courant est utilisée lorsque les diodes sont actionnées dans le sens direct.
Caractéristique inverse
Lorsqu'une diode est polarisée en inverse, elle conduit un courant inverse qui est généralement assez faible. Une caractéristique IV d'inversion de diode typique est représentée sur la figure ci-dessus.
La ligne de courant inverse vertical dans ce graphique a des valeurs de courant exprimées en microampères. La quantité de porteurs de courant minoritaires qui participent à la conduction du courant inverse est assez faible. En général, cela signifie que le courant inverse reste constant sur une grande partie de la tension inverse. Lorsque la tension inverse d'une diode est augmentée depuis le début, il y a un très léger changement du courant inverse. Au point de tension de claquage (VBR), le courant augmente très rapidement. La tension aux bornes de la diode reste raisonnablement constante à ce moment.
Cette caractéristique de tension constante conduit à un certain nombre d'applications de diode en condition de polarisation inverse. Les processus responsables de la conduction du courant dans une diode polarisée en inverse sont appelésAvalanche breakdown et Zener breakdown.
Spécifications de la diode
Comme toute autre sélection, la sélection d'une diode pour une application spécifique doit être considérée. Le fabricant fournit généralement ce type d'informations. Des spécifications telles que la tension et le courant maximaux, les conditions de fonctionnement habituelles, les faits mécaniques, l'identification des câbles, les procédures de montage, etc.
Voici quelques-unes des spécifications importantes -
Maximum forward current (IFM) - Le courant direct répétitif maximal absolu pouvant traverser une diode.
Maximum reverse voltage (VRM) - La tension de polarisation inverse maximale ou crête absolue qui peut être appliquée à une diode.
Reverse breakdown voltage (VBR) - La tension inverse minimale en régime permanent à laquelle une panne se produira.
Maximum forward surge current (IFM-surge)- Le courant maximal qui peut être toléré pendant un court intervalle de temps. Cette valeur actuelle est bien supérieure à IFM.
Maximum reverse current (IR) - Le courant inverse maximum absolu qui peut être toléré à la température de fonctionnement de l'appareil.
Forward voltage (VF) - Chute de tension directe maximale pour un courant direct donné à la température de fonctionnement de l'appareil.
Power dissipation (PD) - La puissance maximale que l'appareil peut absorber en toute sécurité en continu à l'air libre à 25 ° C.
Reverse recovery time (Trr) - Le temps maximum nécessaire à l'appareil pour passer de l'état activé à l'état désactivé.
Termes importants
Breakdown Voltage - C'est la tension de polarisation inverse minimale à laquelle la jonction PN se décompose avec une augmentation soudaine du courant inverse.
Knee Voltage - C'est la tension directe à laquelle le courant traversant la jonction commence à augmenter rapidement.
Peak Inverse Voltage - C'est la tension inverse maximale qui peut être appliquée à la jonction PN, sans l'endommager.
Maximum Forward Rating - C'est le courant direct instantané le plus élevé qu'une jonction PN puisse passer, sans l'endommager.
Maximum Power Rating - C'est la puissance maximale qui peut être dissipée de la jonction, sans endommager la jonction.
Les diodes électroluminescentes influencent directement ou indirectement nos activités quotidiennes. De l'affichage des messages aux téléviseurs LED, partout où ces LED existent. Il s'agit essentiellement d'une diode à jonction PN qui émet de la lumière lorsqu'un courant direct est autorisé à la traverser. La figure suivante montre le symbole logique d'une LED.
Comment une diode de jonction PN émet-elle de la lumière?
Les LED ne sont pas faites de silicium ou de germanium et d'éléments tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure de gallium (GaP). Ces matériaux sont délibérément utilisés car ils émettent de la lumière. Par conséquent, lorsqu'une LED est polarisée en direct, comme d'habitude, les électrons traversent la jonction et s'unissent avec des trous.
Cette action provoque la chute des électrons de la région de type N et leur retour dans la bande de valence. Ce faisant, l'énergie possédée par chaque électron libre est alors libérée. Une partie de l'énergie libérée émerge sous forme de chaleur et le reste est donné sous forme d'énergie lumineuse visible.
Si les LED sont fabriquées à partir de silicium et de germanium, alors lors de la recombinaison des électrons, toute l'énergie est dissipée sous forme de chaleur uniquement. D'autre part, des matériaux tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure de gallium (GaP) possèdent suffisamment de photons qui sont suffisants pour produire de la lumière visible.
- Si les LED sont fabriquées à partir d'arséniure de gallium, elles produisent une lumière rouge.
- Si les LED sont fabriquées à partir de phosphure de gallium, ces LED émettent une lumière verte.
Considérons maintenant deux LED connectées dos à dos à travers une source d'alimentation en tension externe, de sorte que l'anode d'une LED soit connectée à la cathode d'une autre LED ou vice versa. Lorsqu'une tension externe est appliquée à ce circuit, une LED fonctionnera à la fois et en raison de cette action du circuit, elle émet une lumière différente lorsqu'une LED est polarisée en direct et l'autre est polarisée en inverse ou vice versa.
Avantages des LED
Les LED offrent les avantages suivants -
- De taille assez petite.
- Commutation très rapide.
- Peut être utilisé avec une très basse tension.
- Une espérance de vie très longue.
- La procédure de construction permet la fabrication dans différentes formes et modèles.
Applications des LED
Les LED sont principalement utilisées dans les affichages numériques indiquant les nombres de 0 à 9. Ils sont également utilisés dans seven-segment display trouvé dans les compteurs numériques, horloges, calculatrices, etc.
Il s'agit d'un type spécifique de diode semi-conductrice, qui est conçue pour fonctionner dans la région de claquage inverse. La figure suivante représente la structure cristalline et le symbole d'une diode Zener. Il est essentiellement similaire à celui d'une diode conventionnelle. Cependant, une petite modification est apportée pour le distinguer d'un symbole d'une diode régulière. La ligne pliée indique la lettre «Z» du Zener.
La différence la plus significative entre les diodes Zener et les diodes à jonction PN régulières réside dans le mode dans lequel elles sont utilisées dans les circuits. Ces diodes fonctionnent normalement uniquement dans le sens de polarisation inverse, ce qui implique que l'anode doit être connectée au côté négatif de la source de tension et la cathode au positif.
Si une diode ordinaire est utilisée de la même manière que la diode Zener, elle sera détruite en raison d'un courant excessif. Cette propriété rend la diode Zener moins importante.
L'illustration suivante montre un régulateur avec une diode Zener.
La diode Zener est connectée dans le sens de polarisation inverse sur une source d'alimentation CC non régulée. Il est fortement dopé de sorte que la tension de claquage inverse est réduite. Il en résulte une couche d'épuisement très fine. Pour cette raison, la diode Zener a une tension de claquage inverse forteVz.
Selon l'action du circuit, la panne se produit brusquement avec une augmentation soudaine du courant, comme indiqué dans la figure suivante.
Tension Vzreste constant avec une augmentation du courant. En raison de cette propriété, la diode Zener est largement utilisée dans la régulation de tension. Il fournit une tension de sortie presque constante quel que soit le changement de courant à travers le Zener. Ainsi, la tension de charge reste à une valeur constante.
Nous pouvons voir qu'à une tension inverse particulière connue sous le nom de tension de coude, le courant augmente fortement avec une tension constante. En raison de cette propriété, les diodes Zener sont largement utilisées dans la stabilisation de tension.
Une photodiode est une diode à jonction PN qui conduit le courant lorsqu'elle est exposée à la lumière. Cette diode est en fait conçue pour fonctionner en mode de polarisation inverse. Cela signifie que plus l'intensité de la lumière tombante est élevée, plus le courant de polarisation inverse sera grand.
La figure suivante montre un symbole schématique et des détails de construction d'une photodiode.
Fonctionnement d'une photodiode
C'est un reverse-biased diode. Le courant inverse augmente à mesure que l'intensité de la lumière incidente augmente. Cela signifie que le courant inverse est directement proportionnel à l'intensité de la lumière tombante.
Il se compose d'une jonction PN montée sur un substrat de type P et scellée dans un boîtier métallique. Le point de jonction est constitué d'une lentille transparente et c'est la fenêtre où la lumière est censée tomber.
Comme nous le savons, lorsque la diode de jonction PN est polarisée en inverse, une très petite quantité de courant inverse circule. Le courant inverse est généré thermiquement par des paires électron-trou dans la région d'appauvrissement de la diode.
Lorsque la lumière tombe sur la jonction PN, elle est absorbée par la jonction. Cela générera plus de paires électron-trou. Ou nous pouvons dire, de manière caractéristique, la quantité de courant inverse augmente.
En d'autres termes, à mesure que l'intensité de la lumière tombante augmente, la résistance de la diode de jonction PN diminue.
- Cette action rend la diode plus conductrice.
- Ces diodes ont un temps de réponse très rapide
- Ceux-ci sont utilisés dans les appareils informatiques de haute qualité.
- Il est également utilisé dans les circuits d'alarme, les circuits de comptage, etc.
Une cellule photovoltaïque de base est constituée d'un semi-conducteur de type n et d'un semi-conducteur de type p formant une jonction pn. La zone supérieure est étendue et transparente, généralement exposée au soleil. Ces diodes ou cellules sont exceptionnelles qui génèrent une tension lorsqu'elles sont exposées à la lumière. Les cellules convertissent directement l'énergie lumineuse en énergie électrique.
La figure suivante montre le symbol of photovoltaic cell.
Fonctionnement d'une cellule photovoltaïque
La construction d'une cellule photovoltaïque est similaire à celle d'une diode à jonction PN. Aucun courant ne circule dans l'appareil lorsqu'aucune lumière n'est appliquée. Dans cet état, la cellule ne pourra pas générer de courant.
Il est essentiel de polariser correctement la cellule, ce qui nécessite une bonne quantité de lumière. Dès que la lumière est appliquée, un état remarquable de la diode de jonction PN peut être observé. En conséquence, les électrons acquièrent une énergie suffisante et se détachent des atomes parents. Ces paires électron-trou nouvellement générées dans la région d'appauvrissement traversent la jonction.
Dans cette action, les électrons se déplacent dans le matériau de type N en raison de sa concentration normale en ions positifs. De même, les trous pénètrent dans le matériau de type P en raison de sa teneur en négatif. Cela amène le matériau de type N à prendre instantanément une charge négative et le matériau P à prendre une charge positive. La jonction PN délivre alors une petite tension en réponse.
Caractéristiques d'une cellule photovoltaïque
La figure suivante à gauche montre l'une des caractéristiques, un graphique entre le courant inverse (I R ) et l'éclairage (E) d'une photodiode. L'IR est mesuré sur l'axe vertical et l'éclairage est mesuré sur l'axe horizontal. Le graphique est une ligne droite passant par la position zéro.
c'est-à-dire, I R = mE
m = pente de la droite du graphique
Le paramètre m est la sensibilité de la diode.
La figure de droite montre une autre caractéristique de la photodiode, un graphique entre le courant inverse (I R ) et la tension inverse d'une photodiode. Il est clair d'après le graphique que pour une tension inverse donnée, le courant inverse augmente à mesure que l'éclairage augmente sur la jonction PN.
Ces cellules fournissent généralement de l'énergie électrique à un dispositif de charge lorsque la lumière est appliquée. Si une tension plus élevée est requise, un réseau de ces cellules est utilisé pour fournir la même. Pour cette raison, les cellules photovoltaïques sont utilisées dans des applications où des niveaux élevés d'énergie lumineuse sont disponibles.
Il s'agit d'une diode de jonction PN spéciale avec une concentration irrégulière d'impuretés dans ses matériaux PN. Dans une diode à jonction PN normale, les impuretés dopantes sont généralement dispersées de manière égale dans tout le matériau. Diode varactor dopée avec une très petite quantité d'impuretés à proximité de la jonction et la concentration en impuretés augmente en s'éloignant de la jonction.
Dans la diode à jonction conventionnelle, la région d'appauvrissement est une zone qui sépare le matériau P et N. La région d'appauvrissement est développée au début lorsque la jonction est initialement formée. Il n'y a pas de porteurs de courant dans cette région et donc la région d'appauvrissement agit comme un milieu diélectrique ou un isolant.
Le matériau de type P avec des trous comme porteurs majoritaires et le matériau de type N avec des électrons comme porteurs majoritaires agissent désormais comme des plaques chargées. Ainsi, la diode peut être considérée comme un condensateur avec des plaques chargées opposées de type N et P et la région d'appauvrissement fait office de diélectrique. Comme nous le savons, les matériaux P et N, qui sont des semi-conducteurs, sont séparés par un isolant de région d'appauvrissement.
Les diodes qui sont conçues pour répondre à l'effet de capacité sous polarisation inverse sont appelées varactors, varicap diodes, ou voltage-variable capacitors.
La figure suivante montre le symbole de la diode Varactor.
Les diodes Varactor fonctionnent normalement dans la condition de polarisation inverse. Lorsque la polarisation inverse augmente, la largeur de la région d'appauvrissement augmente également, ce qui réduit la capacité. Cela signifie que lorsque la polarisation inverse diminue, une augmentation correspondante de la capacité peut être observée. Ainsi, la capacité de la diode varie inversement proportionnellement à la tension de polarisation. En général, ce n'est pas linéaire. Il fonctionne entre zéro et la tension de claquage inverse.
La capacité de la diode Varactor est exprimée par -
$$ C_T = E \ frac {A} {W_d} $$
CT = Capacité totale de la jonction
E = Permittivité du matériau semi-conducteur
A = Aire de la section transversale de la jonction
Wd = Largeur de la couche d'épuisement
Ces diodes sont variables utilisées dans les applications micro-ondes. Les diodes Varactor sont également utilisées dans les circuits résonants où un certain niveau d'accord de tension ou de contrôle de fréquence est nécessaire. Cette diode est également utilisée dans le contrôle automatique de fréquence (AFC) dans les récepteurs de radio et de télévision FM.
Les transistors bipolaires sont principalement formés de deux couches de matériau semi-conducteur de type opposé, reliées dos à dos. Le type d'impureté ajouté au silicium ou au germanium décide de la polarité lors de sa formation.
Transistor NPN
Un transistor NPN est composé de deux matériaux de type N séparés par une couche mince de matériau semi-conducteur de type P. La structure cristalline et le symbole schématique du transistor NPN sont représentés sur la figure ci-dessus.
Il y a trois fils sortis de chaque type de matériau reconnu comme le emitter, base, et collector. Dans le symbole, lorsque la pointe de flèche de l'émetteur est dirigée vers l'extérieur de la base, cela indique que l'appareil est de type NPN.
Transistor PNP
Un transistor PNP est composé de deux matériaux de type P séparés par une couche mince de matériau semi-conducteur de type N. La structure cristalline et le symbole schématique d'un transistor PNP sont indiqués ci-dessous.
Dans le symbole, lorsque la pointe de flèche de l'émetteur est dirigée vers l'intérieur vers la base, cela indique que l'appareil est de type PNP.
Voici quelques techniques de fabrication utilisées dans la construction d'un transistor -
Type de diffusion
Dans ce procédé, la tranche de semi-conducteur est soumise à une certaine diffusion gazeuse d'impuretés de type N et de type P pour former des jonctions d'émetteur et de collecteur. Tout d'abord, la jonction base-collecteur est déterminée et photogravée juste avant la diffusion de la base. Plus tard, l'émetteur est diffusé sur la base. Les transistors fabriqués par cette technique ont un meilleur facteur de bruit et une amélioration du gain de courant est également observée.
Type cultivé
Il est formé en étirant un monocristal à partir de silicium ou de germanium fondu. La concentration d'impureté requise est ajoutée pendant l'opération d'étirage du cristal.
Type épitaxial
Une couche monocristalline de très haute pureté et mince de silicium ou de germanium est développée sur un substrat fortement dopé du même type. Cette version améliorée du cristal forme le collecteur sur lequel sont formées les jonctions d'émetteur et de base.
Type d'alliage
Dans ce procédé, la section de base est constituée d'une fine tranche de matériau de type N. Sur les côtés opposés de la tranche, deux petits points d'indium sont attachés et la formation complète est maintenue à une température élevée pendant un temps plus court. La température serait supérieure à la température de fusion de l'indium et inférieure au germanium. Cette technique est également connue sous le nom de construction fusionnée.
Type gravé électrochimiquement
Dans ce procédé, sur les côtés opposés d'une plaquette semi-conductrice, une dépression est gravée afin de réduire la largeur de la région de base. Ensuite, un métal approprié est déposé par électrolyse dans la zone des dépressions pour former des jonctions d'émetteur et de collecteur.
Les transistors ont trois sections à savoir - le emitter, la base, et le collector.
le base est beaucoup plus mince que l'émetteur et le collecteur est comparativement plus large que les deux.
le emitter est fortement dopé afin de pouvoir injecter un grand nombre de porteurs de charge pour la conduction de courant.
La base fait passer la plupart des porteurs de charge vers le collecteur car elle est relativement légèrement dopée que l'émetteur et le collecteur.
Pour un bon fonctionnement du transistor, la région émetteur-base doit être polarisée en direct et la région collecteur-base doit être polarisée en inverse.
Dans les circuits à semi-conducteurs, la tension source est appelée tension de polarisation. Pour fonctionner, les transistors bipolaires doivent avoir les deux jonctions polarisées. Cette condition provoque un courant à travers le circuit. La région d'appauvrissement du dispositif est réduite et la majorité des porteurs de courant sont injectés vers la jonction. L'une des jonctions d'un transistor doit être polarisée en direct et l'autre doit être polarisée en inverse lorsqu'il fonctionne.
Fonctionnement du transistor NPN
Comme le montre la figure ci-dessus, la jonction émetteur-base est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse. La polarisation directe de l'émetteur à la jonction de base fait circuler les électrons de l'émetteur de type N vers la polarisation. Cette condition formule le courant de l'émetteur (I E ).
En traversant le matériau de type P, les électrons ont tendance à se combiner avec des trous, généralement très peu nombreux, et constituent le courant de base (I B ). Le reste des électrons traverse la région de déplétion mince et atteint la région du collecteur. Ce courant constitue le courant de collecteur (I C ).
En d'autres termes, le courant de l'émetteur circule réellement à travers le circuit collecteur. Par conséquent, on peut considérer que le courant d'émetteur est la somme du courant de base et du courant de collecteur. Il peut être exprimé comme,
I E = I B + I C
Fonctionnement du transistor PNP
Comme le montre la figure suivante, la jonction émetteur-base est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse. La polarisation directe de l'émetteur à la jonction de base fait que les trous s'écoulent de l'émetteur de type P vers la polarisation. Cette condition formule le courant de l'émetteur (I E ).
En traversant le matériau de type N, les électrons ont tendance à se combiner avec des électrons, généralement très peu nombreux, et constituent le courant de base (I B ). Le reste des trous traverse la région d'épuisement mince et atteint la région de collecteur. Ce courant constitue le courant du collecteur (I C ).
En d'autres termes, le courant de l'émetteur circule réellement à travers le circuit collecteur. Par conséquent, on peut considérer que le courant d'émetteur est la somme du courant de base et du courant de collecteur. Il peut être exprimé comme,
I E = I B + I C
Lorsqu'un transistor est connecté dans un circuit, quatre bornes ou fils ou pattes sont nécessaires, deux pour l'entrée et la sortie. Comme nous savons que les transistors n'ont que 3 bornes, cette situation peut être surmontée en rendant l'une des bornes commune à la fois pour la section d'entrée et de sortie. En conséquence, un transistor peut être connecté dans trois configurations comme suit -
- Configuration de base commune
- Configuration d'émetteur commune
- Configuration de collecteur commune
Voici quelques points importants à noter sur le fonctionnement des transistors.
Un transistor peut fonctionner dans trois régions à savoir la région active, de saturation et de coupure.
Transistor lorsqu'il est utilisé dans la région active, la jonction base-émetteur est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse.
Transistor lorsqu'il est utilisé dans la région de saturation, la jonction base-émetteur est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est également polarisée en direct.
Un transistor lorsqu'il est utilisé dans la région de coupure, la jonction base-émetteur et la jonction collecteur-base sont polarisées en inverse.
Comparaison de la configuration du transistor
Le tableau suivant montre la comparaison de la configuration des transistors.
Caractéristiques | Émetteur commun | Base commune | Collecteur commun |
---|---|---|---|
Gain actuel | Haute | Non | Considérable |
Applications | Fréquence audio | Haute fréquence | Adaptation d'impédance |
Résistance d'entrée | Faible | Faible | Très haut |
Résistance de sortie | Haute | Très haut | Faible |
Gain de tension | Environ. 500 | Environ. 150 | Moins que 1 |
Avantages et inconvénients des transistors
Le tableau suivant répertorie les avantages et les inconvénients des transistors.
Avantages | Désavantages |
---|---|
Tension de source faible | Dépendance à la température |
Gain haute tension | Dissipation de puissance inférieure |
De plus petite taille | Faible impédance d'entrée |
Facteur d'amplification de courant (α)
Le rapport entre la variation du courant du collecteur et la variation du courant de l'émetteur à collecteur constant à la tension de base Vcb est appelé facteur d'amplification du courant ‘α’. Il peut être exprimé comme
$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ à Constant V CB
Il est clair que le facteur d'amplification du courant est inférieur à l'unité et il est inversement proportionnel au courant de base considéré que la base est légèrement dopée et mince.
Facteur d'amplification du courant de base (β)
C'est le rapport entre la variation du courant de collecteur et la variation du courant de base. Une petite variation du courant de base entraîne une très grande variation du courant du collecteur. Par conséquent, le transistor est capable d'atteindre un gain de courant. Il peut être exprimé comme
$$ \ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $$
Transistor comme amplificateur
La figure suivante montre qu'une résistance de charge (R L ) est en série avec la tension d'alimentation du collecteur (V cc ). Un petit changement de tensionΔVi entre l'émetteur et la base provoque un changement de courant d'émetteur relativement important ΔIE.
Nous définissons par le symbole 'a' - la fraction de ce changement actuel - qui est collectée et traverse RL. Le changement de tension de sortie à travers la résistance de chargeΔVo = a’RL ΔIEpeut être plusieurs fois la variation de la tension d'entrée AV I . Dans ces circonstances, l'amplification de tensionA == VO/ΔVI sera supérieur à l'unité et le transistor agit comme un amplificateur.
Un transistor à effet de champ (FET) est un dispositif semi-conducteur à trois bornes. Son fonctionnement est basé sur une tension d'entrée contrôlée. En apparence, les transistors JFET et bipolaires sont très similaires. Cependant, BJT est un appareil contrôlé en courant et JFET est contrôlé par la tension d'entrée. Le plus souvent, deux types de FET sont disponibles.
- Transistor à effet de champ de jonction (JFET)
- FET à semi-conducteur à oxyde métallique (IGFET)
Transistor à effet de champ de jonction
Le fonctionnement du transistor à effet de champ de jonction dépend du flux des porteurs majoritaires (électrons ou trous) uniquement. Fondamentalement, les JFET consistent en unN tapez ou Pbarre de silicium de type contenant des jonctions PN sur les côtés. Voici quelques points importants à retenir sur le FET -
Gate- En utilisant la technique de diffusion ou d'alliage, les deux côtés de la barre de type N sont fortement dopés pour créer une jonction PN. Ces régions dopées sont appelées grille (G).
Source - C'est le point d'entrée des porteurs majoritaires par lequel ils entrent dans la barre semi-conductrice.
Drain - C'est le point de sortie des porteurs majoritaires par lequel ils quittent la barre semi-conductrice.
Channel - C'est la zone du matériau de type N à travers laquelle les porteurs majoritaires passent de la source au drain.
Il existe deux types de JFET couramment utilisés dans le domaine des dispositifs à semi-conducteurs: N-Channel JFET et P-Channel JFET.
JFET à canal N
Il présente une fine couche de matériau de type N formée sur un substrat de type P. La figure suivante montre la structure cristalline et le symbole schématique d'un JFET à canal N. Ensuite, la grille est formée au-dessus du canal N avec un matériau de type P. A l'extrémité du canal et de la grille, des fils conducteurs sont attachés et le substrat n'a pas de connexion.
Lorsqu'une source de tension continue est connectée à la source et aux fils de drain d'un JFET, le courant maximal circule dans le canal. La même quantité de courant circulera de la source et des bornes de drain. La quantité de courant du canal sera déterminée par la valeur de V DD et la résistance interne du canal.
Une valeur typique de la résistance source-drain d'un JFET est de quelques centaines d'ohms. Il est clair que même lorsque la porte est ouverte, une conduction de courant complète aura lieu dans le canal. Essentiellement, la quantité de tension de polarisation appliquée à l'ID contrôle le flux des porteurs de courant traversant le canal d'un JFET. Avec un petit changement de tension de grille, le JFET peut être contrôlé n'importe où entre l'état de conduction complète et l'état de coupure.
JFET à canal P
Il présente une fine couche de matériau de type P formée sur un substrat de type N. La figure suivante montre la structure cristalline et le symbole schématique d'un JFET à canal N. La grille est formée au-dessus du canal P avec un matériau de type N. À l'extrémité du canal et de la porte, des fils conducteurs sont attachés. Le reste des détails de construction sont similaires à ceux du JFET à canal N.
Normalement, pour un fonctionnement général, la borne de porte est rendue positive par rapport à la borne source. La taille de la couche d'appauvrissement de la jonction PN dépend des fluctuations des valeurs de tension de grille polarisée en inverse. Avec un petit changement de tension de grille, le JFET peut être contrôlé n'importe où entre l'état de conduction complète et l'état de coupure.
Caractéristiques de sortie de JFET
Les caractéristiques de sortie du JFET sont tirées entre le courant de drain (I D ) et la tension de source de drain (V DS ) à une tension de source de grille constante (V GS ) comme indiqué dans la figure suivante.
Initialement, le courant de drain (I D ) augmente rapidement avec la tension de drain source (V DS ), mais devient soudainement constant à une tension connue sous le nom de tension de pincement (V P ). Au-dessus de la tension de pincement, la largeur du canal devient si étroite qu'elle permet à un très petit courant de drain de le traverser. Par conséquent, le courant de drain (I D ) reste constant au-dessus de la tension de pincement.
Paramètres de JFET
Les principaux paramètres de JFET sont -
- Résistance au drain AC (Rd)
- Transconductance
- Facteur d'amplification
AC drain resistance (Rd)- C'est le rapport entre la variation de la tension drain source (ΔV DS ) et la variation du courant drain (ΔI D ) à tension grille-source constante. Il peut être exprimé comme,
R d = (ΔV DS ) / (ΔI D ) à constante V GS
Transconductance (gfs)- C'est le rapport entre la variation du courant de drain (ΔI D ) et la variation de la tension de source de grille (ΔV GS ) à tension drain-source constante. Il peut être exprimé comme,
g fs = (ΔI D ) / (ΔV GS ) à constante V DS
Amplification Factor (u)- C'est le rapport entre la variation de la tension drain-source (ΔV DS ) et la variation du courant de drain constant de la tension de grille source (ΔV GS ) (ΔI D ). Il peut être exprimé comme,
u = (ΔV DS ) / (ΔV GS ) à constante I D
Il existe deux méthodes utilisées pour biaiser le JFET: la méthode d'auto-polarisation et la méthode du diviseur de potentiel. Dans ce chapitre, nous aborderons ces deux méthodes en détail.
Méthode d'auto-biais
La figure suivante montre la méthode d'auto-polarisation du JFET à canal n. Le courant de drain traverseRset produit la tension de polarisation requise. Par conséquent,Rs est la résistance de polarisation.
Par conséquent, la tension aux bornes de la résistance de polarisation,
$$ V_s = I_ {DRS} $$
Comme nous le savons, le courant de grille est négligeable, la borne de grille est à la masse CC, V G = 0,
$$ V_ {GS} = V_G - V_s = 0 - I_ {DRS} $$
Ou $ V_ {GS} = -I_ {DRS} $
V GS maintient la porte négative par rapport à la source.
Méthode de diviseur de tension
La figure suivante montre la méthode de diviseur de tension pour polariser les JFET. Ici, les résistances R 1 et R 2 forment un circuit diviseur de tension aux bornes de la tension d'alimentation du drain (V DD ), et elle est plus ou moins identique à celle utilisée dans la polarisation des transistors.
La tension aux bornes de R 2 fournit la polarisation nécessaire -
$$ V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ times R_2 $$
$ = V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S $
Ou $ V_ {GS} = V_2 - I_ {DRS} $
Le circuit est conçu de telle sorte que V GS est toujours négatif. Le point de fonctionnement peut être trouvé en utilisant la formule suivante -
$$ I_D = \ frac {V_2 - V_ {GS}} {R_S} $$
et $ V_ {DS} = V_ {DD} - I_D (R_D + R_S) $
Metal-oxide semiconductor field-effect transistors, également connus sous le nom de MOSFET, ont une plus grande importance et sont un nouvel ajout à la famille FET.
Il présente un substrat de type P légèrement dopé dans lequel sont diffusées deux zones de type N fortement dopées. Une caractéristique unique de cet appareil est sa construction de porte. Ici, le portail est complètement isolé du canal. Lorsque la tension est appliquée à la grille, elle développera une charge électrostatique.
À ce stade, aucun courant n'est autorisé à circuler dans la région de grille de l'appareil. En outre, la porte est une zone de l'appareil, qui est recouverte de métal. Généralement, le dioxyde de silicium est utilisé comme matériau isolant entre la grille et le canal. Pour cette raison, il est également connu sous le nom deinsulated gate FET. Il existe deux MOSFET largement utilisés: i) MOSFET à déplétion ii) MOSFET à amélioration.
D MOSFET
Les figures suivantes montrent le D-MOSFET à canal n et le symbole. La grille forme un condensateur avec la grille comme une plaque et l'autre plaque est le canal avec une couche de SiO 2 comme diélectrique. Lorsque la tension de grille varie, le champ électrique du condensateur change, ce qui à son tour fait varier la résistance du canal n.
Dans ce cas, nous pouvons appliquer une tension positive ou négative à la grille. Lorsque le MOSFET fonctionne avec une tension de grille négative, il est appelé mode d'appauvrissement et lorsqu'il est utilisé avec une tension de grille positive, il est appelé mode de fonctionnement d'amélioration du MOSFET.
Mode d'épuisement
La figure suivante montre un D-MOSFET à canal n en mode de fonctionnement d'épuisement.
Son fonctionnement est le suivant -
La plupart des électrons sont disponibles sur la porte car la porte est négative et elle repousse les électrons de n canal.
Cette action laisse des ions positifs dans la partie du canal. En d'autres termes, certains des électrons libres duncanal sont épuisés. En conséquence, moins d'électrons sont disponibles pour la conduction de courant à travers len canal.
Plus la tension négative à la grille est élevée, moins le courant entre la source et le drain est élevé. Ainsi, on peut changer la résistance du canal n et le courant de la source vers le drain en faisant varier la tension négative sur la grille.
Mode d'amélioration
La figure suivante montre le MOSFET à canal D en mode de fonctionnement d'amélioration. Ici, la grille agit comme un condensateur. Cependant, dans ce cas, la porte est positive. Il provoque les électrons dans len canal et le nombre d'électrons augmente dans le n canal.
Une tension de grille positive améliore ou augmente la conductivité du canal. Plus la tension positive sur la grille est élevée, plus la conduction de la source au drain est grande.
Ainsi, on peut changer la résistance du canal n et le courant de la source vers le drain en faisant varier la tension positive sur la grille.
Caractéristiques de transfert de D - MOSFET
La figure suivante montre les caractéristiques de transfert du D-MOSFET.
Lorsque V GS devient négatif, I D tombe en dessous de la valeur de I DSS , jusqu'à ce qu'il atteigne zéro et V GS = V GS (désactivé) (mode d'épuisement). Lorsque V GS est nul, I D = I DSS car la porte et les bornes source sont court-circuitées. I D augmente au-dessus de la valeur de I DSS , lorsque V GS est positif et que le MOSFET est en mode d'amélioration.
Un amplificateur opérationnel, ou amplificateur opérationnel, est un amplificateur différentiel à gain très élevé avec une impédance d'entrée élevée et une impédance de sortie faible. Les amplificateurs opérationnels sont généralement utilisés pour fournir des changements d'amplitude de tension, des oscillateurs, des circuits de filtre, etc. Un amplificateur opérationnel peut contenir un certain nombre d'étages d'amplification différentielle pour obtenir un gain de tension très élevé.
Il s'agit d'un amplificateur différentiel à gain élevé utilisant un couplage direct entre la sortie et l'entrée. Cela convient aussi bien aux opérations DC que AC. Les amplificateurs opérationnels remplissent de nombreuses fonctions électroniques telles que des dispositifs d'instrumentation, des générateurs de signaux, des filtres actifs, etc. en plus de diverses opérations mathématiques. Cet appareil polyvalent est également utilisé dans de nombreuses applications non linéaires, telles que les comparateurs de tension, les convertisseurs analogique-numérique et les convertisseurs numérique-analogique, les amplificateurs logarithmiques, les générateurs de fonctions non linéaires, etc.
Amplificateur différentiel de base
L'illustration suivante montre un amplificateur différentiel de base -
Dans la figure ci-dessus -
VDI = entrée différentielle
VDI= V 1 - V 2
VDO = sortie différentielle
VDO= V C1 - V C2
Cet amplificateur amplifie la différence entre les deux signaux d'entrée, V 1 et V 2 .
Gain de tension différentiel,
$$ A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}} $$
et
$$ A_d = \ frac {(V_ {C1} - V_ {C2})} {V_ {DI}} $$
Comme le montre la figure suivante, l'amplificateur opérationnel de base se compose de trois étages -
Étape d'entrée
Il s'agit de la première étape et présente les caractéristiques suivantes.
- CMR élevé (rejet de mode commun)
- Impédance d'entrée élevée
- Large bande passante
- Décalage d'entrée faible (CC)
Ce sont quelques caractéristiques importantes pour les performances de l'amplificateur opérationnel. Cet étage est constitué d'un étage amplificateur différentiel et un transistor est polarisé pour qu'il agisse comme une source de courant constant. La source de courant constant augmente considérablement le CMR de l'amplificateur différentiel.
Voici les deux entrées de l'amplificateur différentiel -
- V 1 = entrée non inverseuse
- V 2 = entrée inverseuse
Etape intermédiaire
Il s'agit de la deuxième étape et conçue pour obtenir de meilleurs gains de tension et de courant. Le gain de courant est nécessaire pour fournir un courant suffisant pour entraîner l'étage de sortie, où la majeure partie de la puissance de l'amplificateur opérationnel est générée. Cet étage se compose d'un ou plusieurs amplificateurs différentiels suivis d'un émetteur suiveur et d'un étage de décalage de niveau DC. Le circuit de décalage de niveau permet à un amplificateur d'avoir deux entrées différentielles avec une seule sortie.
V sortie = + ve | lorsque V 1 > V 2 |
V out = -ve | lorsque V 2 <V 1 |
V sortie = 0 | quand V 1 = V 2 |
Étape de sortie
Il s'agit du dernier étage de l'ampli-op et est conçu pour avoir une faible impédance de sortie. Cela fournit le courant nécessaire pour conduire la charge. Plus ou moins de courant sera tiré de l'étage de sortie au fur et à mesure que la charge varie. Par conséquent, il est essentiel que l'étage précédent fonctionne sans être influencé par la charge de sortie. Cette exigence est satisfaite en concevant cet étage de manière à avoir une impédance d'entrée élevée et un gain de courant élevé, mais avec une impédance de sortie faible.
L'amplificateur opérationnel a deux entrées: Non-inverting input et Inverting input.
La figure ci-dessus montre le type inverseur d'amplificateur opérationnel. Un signal qui est appliqué à la borne d'entrée inverseuse est amplifié, cependant le signal de sortie est déphasé avec le signal d'entrée de 180 degrés. Un signal appliqué à la borne d'entrée non inverseuse est amplifié et le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée.
L'ampli opérationnel peut être connecté à un grand nombre de circuits pour fournir diverses caractéristiques de fonctionnement.
Amplificateur inverseur
La figure suivante montre un amplificateur inverseur. Le signal d'entrée est amplifié et inversé. Il s'agit du circuit amplificateur à gain constant le plus utilisé.
V o = -R f .V dans / R 1
Gain de tension A = (-R f / R 1 )
Amplificateur non inverseur
La figure suivante montre un circuit amplificateur opérationnel qui fonctionne comme un amplificateur non inverseur ou un multiplicateur à gain constant et qui présente une meilleure stabilité de fréquence.
Le signal d'entrée est amplifié mais il n'est pas inversé.
Sortie V o = [(R 1 + R f ) / R 1 ] V 1
Gain de tension A = (R 1 + R f ) / R 1
Amplificateur sommateur inverseur
La figure suivante montre un amplificateur de sommation inverseur. C'est le circuit le plus utilisé de l'ampli-op. Le circuit montre un amplificateur de sommation à trois entrées, qui fournit un moyen de sommer algébriquement trois tensions, chacune multipliée par un facteur de gain constant. La tension de sortie est exprimée comme suit:
V o = [(-R 4 / R 1 ) V 1 ] [(- R 4 / R 2 ) V 2 ] [(- R 4 / R 3 ) V 3 ]
V o = -R 4 (V 1 / R 1 + V 2 / R 2 + V 3 / R 3 )
Si, R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R & R s = R / 3
V o = - (V 1 + V 2 + V 3 )
La figure suivante montre que le composant de rétroaction utilisé est un condensateur et que la connexion résultante est appelée intégrateur.
L'équivalent de terre virtuelle montre qu'une expression de la tension entre l'entrée et la sortie peut être dérivée en termes de courant (I), de l'entrée à la sortie. Rappelons que la terre virtuelle signifie que nous pouvons considérer la tension à la jonction de R et X C comme étant la masse (puisque V i ≈ 0 V) mais aucun courant ne pénètre dans le sol à ce point. L'impédance capacitive peut être exprimée comme
$$ X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC} $$
Où s= jw comme dans la notation Laplace. La résolution de l'équation pour $ V_o / V_i $ donne l'équation suivante
$$ I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {- \ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1} $$
$$ \ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1} $$
Il peut être écrit dans le domaine temporel comme
$$ V_o (t) = - \ frac {1} {RC} \ int V_1 (t) dt $$
Un circuit de différenciation est illustré dans la figure suivante.
Le différentiateur fournit une opération utile, la relation résultante pour le circuit étant
V o (t) = RC (dv1 (t) / dt
Voici quelques paramètres importants de l'amplificateur opérationnel -
Gain de tension en boucle ouverte (AVOL)
Le gain de tension en boucle ouverte d'un amplificateur opérationnel est son gain différentiel dans des conditions où aucune rétroaction négative n'est utilisée. AVOL va de 74 db à 100 db.
AVOL = [V o / (V 1 - V 2 )]
Tension de décalage de sortie (VOO)
La tension de décalage de sortie d'un amplificateur opérationnel est sa tension de sortie lorsque sa tension d'entrée différentielle est nulle.
Rejet en mode commun (CMR)
Si les deux entrées sont au même potentiel, provoquant l'entrée différentielle nulle, et si la sortie est nulle, l'amplificateur opérationnel est dit avoir une bonne réjection de mode commun.
Gain en mode commun (AC)
Le gain en mode commun d'un amplificateur opérationnel est le rapport de la tension de sortie en mode commun à la tension d'entrée en mode commun.
Gain différentiel (AD)
Le gain différentiel d'un amplificateur opérationnel est le rapport entre la sortie et l'entrée différentielle.
Annonce = [V o / (V 1 ) - V 2 ]
Taux de rejet en mode commun (CMRR)
Le CMRR d'un amplificateur opérationnel est défini comme le rapport du gain différentiel en boucle fermée au gain en mode commun.
CMRR = Annonce / AC
Vitesse de balayage (SR)
Le taux de balayage est le taux de changement de tension de sortie provoqué par une tension d'entrée échelonnée. Une vitesse de balayage idéale est infinie, ce qui signifie que la sortie de l'amplificateur opérationnel doit changer instantanément en réponse à une tension de pas d'entrée.
Nous avons déjà discuté de certaines applications de l'amplificateur opérationnel telles que le différenciateur, l'intégrateur, l'amplificateur de sommation, etc. Certaines autres applications courantes des amplificateurs opérationnels sont -
- Amplificateur logarithmique
- Gyrator (simulateur d'inductance)
- Suiveur de tension CC et CA
- Convertisseur analogique-numérique
- Convertisseur numérique analogique
- Alimentations pour protection contre les surtensions
- Indicateur de polarité
- Suiveur de tension
- Filtres actifs
Un oscillateur est un circuit électronique qui génère des oscillations sinusoïdales appelées sinusoidal oscillator. Il convertit l'énergie d'entrée d'une source CC en énergie de sortie CA de forme d'onde périodique, à une fréquence spécifique et dont l'amplitude est connue. La caractéristique de l'oscillateur est qu'il maintient sa sortie CA.
La figure suivante montre un amplificateur avec un signal de retour même en l'absence d'un signal d'entrée appliqué de l'extérieur. Un oscillateur sinusoïdal est essentiellement une forme d'amplificateur de rétroaction, où des exigences particulières sont placées sur le gain de tensionAv et les réseaux de feedback β.
Considérons l'amplificateur de rétroaction de la figure ci-dessus, où la tension de rétroaction V f = βV O fournit la totalité de la tension d'entrée
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Ou $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Si une tension de sortie doit être produite, la tension d'entrée ne peut pas être nulle. Par conséquent, pour que V i existe, l'équation (2) exige que
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Ou $ A_V \ beta = 1 $ (3)
L'équation (3) est connue sous le nom de “Barkhausen criterion”, qui énonce deux exigences de base pour l'oscillation -
Le gain de tension autour de l'amplificateur et de la boucle de rétroaction, appelé gain de boucle, doit être égal à l'unité, ou $ A_V \ beta = 1 $.
Le déphasage entre $ V_i $ et $ V_f $, appelé déphasage de la boucle, doit être nul.
Si ces deux conditions sont satisfaites, l'amplificateur de rétroaction de la figure ci-dessus générera une forme d'onde de sortie sinusoïdale de manière cohérente.
Parlons maintenant en détail de certains circuits d'oscillateur typiques.
Oscillateur à décalage de phase
Un circuit oscillateur qui suit la progression fondamentale d'un circuit de rétroaction est l'oscillateur à déphasage. Un oscillateur à déphasage est illustré dans la figure suivante. Les exigences pour l'oscillation sont que le gain de boucle (βA) doit être supérieur à l'unité et le déphasage entre l'entrée et la sortie doit être de 360 o .
La rétroaction est fournie de la sortie du réseau RC à l'entrée de l'amplificateur. L'étage d'amplificateur op-amp fournit un décalage initial de 180 degrés et le réseau RC introduit une quantité supplémentaire de décalage de phase. À une fréquence spécifique, le déphasage introduit par le réseau est exactement de 180 degrés, donc la boucle sera de 360 degrés et la tension de retour est en tension d'entrée de phase.
Le nombre minimum d'étages RC dans le réseau de rétroaction est de trois, car chaque section fournit 60 degrés de déphasage. L'oscillateur RC est parfaitement adapté à la gamme de fréquences audio, de quelques cycles à environ 100 KHz. Aux fréquences plus élevées, l'impédance du réseau devient si faible qu'elle peut sérieusement charger l'amplificateur, réduisant ainsi son gain de tension en dessous de la valeur minimale requise, et les oscillations cesseront.
Aux basses fréquences, l'effet de charge n'est généralement pas un problème et les grandes valeurs de résistance et de capacité requises sont facilement disponibles. En utilisant l'analyse de base du réseau, l'oscillation de fréquence peut être exprimée comme
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Oscillateur de pont de Wien
Un circuit oscillateur pratique utilise un ampli-op et un circuit en pont RC, avec la fréquence de l'oscillateur réglée par le R et CComposants. La figure suivante montre une version de base d'un circuit d'oscillateur à pont de Wien.
Notez la connexion de base au pont. Les résistances R 1 et R 2 et les condensateurs C 1 et C 2 forment les éléments de réglage de fréquence, tandis que les résistances R 3 et R 4 font partie du chemin de rétroaction.
Dans cette application, la tension d'entrée (V i ) vers le pont est la tension de sortie de l'amplificateur, et la tension de sortie (V o ) du pont est une rétroaction vers l'entrée de l'amplificateur. En négligeant les effets de charge des impédances d'entrée et de sortie de l'ampli-op, l'analyse du circuit en pont entraîne
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
et
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Si R 1 = R 2 = R et C 1 = C 2 = C, la fréquence de l'oscillateur résultant est
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Oscillateur Hartley
La figure suivante montre l'oscillateur Hartley. C'est l'un des circuits RF les plus courants. Il est normalement utilisé comme oscillateur local dans un récepteur de diffusion de communication. Le transistor à jonction bipolaire à la borne d'émetteur commun est l'amplificateur de tension et est sollicité par un circuit de polarisation universel consistant en R 1 , R 2 , R E . Le condensateur de contournement d'émetteur (C E ) augmente le gain de tension de cet étage à transistor unique.
La self de radiofréquence (RFC) dans le circuit collecteur agit comme un circuit ouvert à la fréquence RF et empêche l'énergie RF de pénétrer dans l'alimentation. Le circuit de réservoir se compose de L 1 , L 2 et C. La fréquence des oscillations est déterminée par la valeur de L 1 , L 2 et C et est déterminée par les oscillations à la fréquence de résonance du circuit de réservoir LC. Cette fréquence de résonance est exprimée par
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
Le signal de sortie peut être prélevé sur le collecteur par couplage capacitif, à condition que la charge soit importante et que la fréquence d'oscillation ne soit pas affectée.
Piézo-électricité
Les propriétés piézoélectriques sont présentées par un certain nombre de substances cristallines naturelles, dont les plus importantes sont le quartz, le sel de Rochelle et la tourmaline. Lorsqu'une tension sinusoïdale est appliquée sur ces matériaux, ils vibrent à la fréquence de tension appliquée.
En revanche, lorsque ces matériaux sont comprimés et soumis à des contraintes mécaniques pour vibrer, ils produisent une tension sinusoïdale équivalente. Par conséquent, ces matériaux sont appelés cristaux piézoélectriques. Le quartz est le cristal piézoélectrique le plus populaire.
Oscillateur à cristal
Le schéma de circuit de l'oscillateur à cristal est illustré dans la figure suivante.
Le cristal agit ici comme un circuit accordé. Le circuit équivalent d'un cristal est donné ci-dessous.
Un oscillateur à cristal a deux fréquences de résonance: la fréquence de résonance en série et la fréquence de résonance parallèle.
Fréquence de résonance série
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Fréquence de résonance parallèle
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
Les deux fréquences de résonance sont presque les mêmes, car C / Cm est très faible. Dans la figure ci-dessus, le cristal est connecté pour fonctionner en mode résonnant parallèle.
Les résistances R 1 , R 2 , R E et le transistor forment ensemble un circuit amplificateur. Les résistances R 1 et R 2 fournissent une polarisation CC stabilisée en tension. Le condensateur (C E ) fournit une dérivation CA de la résistance d'émetteur (R E ) et le RFC fournit une impédance élevée à la fréquence générée par l'oscillateur, de sorte qu'ils n'entrent pas dans les lignes électriques.
Le cristal est en parallèle avec les condensateurs C 1 et C 2 et permet une rétroaction de tension maximale du collecteur vers l'émetteur, lorsque son impédance est maximale. À d'autres fréquences, l'impédance du cristal est faible et donc la rétroaction résultante est trop petite pour supporter les oscillations. La fréquence de l'oscillateur est stabilisée à la fréquence de résonance parallèle du cristal.
L'objectif fondamental du réseau de polarisation est d'établir des relations entre la tension et le courant collecteur-base-émetteur au point de fonctionnement du circuit (le point de fonctionnement est également appelé point de repos, point Q, point sans signal, point de repos, ou point statique). Étant donné que les transistors fonctionnent rarement à ce point Q, les réseaux de polarisation de base sont généralement utilisés comme référence ou point de départ pour la conception.
La configuration réelle du circuit et, en particulier, les valeurs du réseau de polarisation sont sélectionnées sur la base des conditions dynamiques du circuit (oscillation de tension de sortie souhaitée, niveau de signal d'entrée attendu, etc.) Une fois le point de fonctionnement souhaité établi, la fonction suivante du réseau de polarisation est pour stabiliser le circuit amplificateur à ce stade. Le réseau de polarisation de base doit maintenir les relations de courant souhaitées en présence de changements de température et d'alimentation et de remplacement éventuel du transistor.
Dans certains cas, les changements de fréquence et les changements provoqués à nouveau par le composant doivent également être compensés par le réseau de polarisation. Ce processus est généralement appelé stabilisation du biais. Une stabilisation correcte de la polarisation maintiendra le circuit de l'amplificateur au point de fonctionnement souhaité (dans les limites pratiques) et empêchera l'emballement thermique.
Facteur de stabilité 'S'
Il est défini comme le taux de variation du courant du collecteur par rapport au courant de saturation inverse, en maintenant β et V BE constants. Il est exprimé comme
$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$
Méthodes de stabilisation des biais
La méthode permettant de rendre le point de fonctionnement indépendant des changements de température ou des variations des paramètres des transistors est appelée stabilization. Il existe plusieurs schémas permettant de stabiliser la polarisation des amplificateurs à semi-conducteurs. Tous ces schémas engagent une forme de rétroaction négative. C'est-à-dire que tout étage des courants de transistor produit un changement de tension ou de courant correspondant qui tend à contrebalancer le changement initial.
Il existe deux méthodes fondamentales pour produire une rétroaction négative, une rétroaction à tension inverse et une rétroaction à courant inverse.
Rétroaction de tension inverse
La figure suivante montre le réseau de base de polarisation de tension inverse. La jonction émetteur-base est polarisée en direct par la tension à la jonction de R 1 et R 2 . La jonction base-collecteur est polarisée en inverse par le différentiel entre les tensions au collecteur et à la base.
Normalement, le collecteur d'un amplificateur couplé par résistance est à une tension d'environ la moitié de celle de la résistance d'alimentation (R 3 ), connectée entre le collecteur et la base. Puisque la tension du collecteur est positive, une partie de cette tension est une rétroaction à la base pour supporter la polarisation directe.
La polarisation directe normale (ou point Q) sur la jonction émetteur-base est le résultat de toutes les tensions entre l'émetteur et la base. En tant que collecteur de courant augmente, une plus grande chute de tension est produite à travers R L . En conséquence, la tension sur le collecteur diminue, réduisant le retour de tension vers la base via R 3 . Cela réduit la polarisation directe émetteur-base, réduisant le courant d'émetteur et abaissant le courant du collecteur à sa valeur normale. Comme il y a une diminution initiale du courant du collecteur, une action opposée a lieu et le courant du collecteur est élevé à sa valeur normale (point Q).
Toute forme de rétroaction négative ou inverse dans un amplificateur a tendance à s'opposer à tous les changements, même ceux produits par le signal amplifié. Cette rétroaction inverse ou négative a tendance à réduire et à stabiliser le gain, ainsi que les changements indésirables. Ce principe de stabilisation du gain par rétroaction est utilisé dans plus ou moins tous les types d'amplificateurs.
Rétroaction de courant inverse
La figure suivante montre un réseau de polarisation de courant inverse distinctif (émetteur-rétroaction) utilisant un transistor NPN. Le retour de courant est plus couramment utilisé que le retour de tension dans les amplificateurs à semi-conducteurs. Ceci est dû au fait que les transistors sont principalement des dispositifs fonctionnant en courant, plutôt que des dispositifs fonctionnant en tension.
L'utilisation d'une résistance de rétroaction d'émetteur dans tout circuit de polarisation peut se résumer comme suit: Le courant de base dépend du différentiel de tension entre la base et l'émetteur. Si la tension différentielle est abaissée, moins de courant de base circulera.
Le contraire est vrai lorsque le différentiel est augmenté. Tout le courant circulant dans le collecteur. La tension chute à travers la résistance de l'émetteur et n'est donc pas totalement dépendante. À mesure que le courant du collecteur augmente, le courant de l'émetteur et la chute de tension aux bornes de la résistance de l'émetteur augmenteront également. Cette rétroaction négative tend à diminuer le différentiel entre la base et l'émetteur, abaissant ainsi le courant de base. À son tour, le courant de base inférieur a tendance à diminuer le courant du collecteur et à contrebalancer le courant initial du collecteur augmente.
Compensation de biais
Dans les amplificateurs à semi-conducteurs, lorsque la perte de gain de signal est intolérable dans une application particulière, des techniques de compensation sont souvent utilisées pour réduire la dérive du point de fonctionnement. Afin de fournir une polarisation et une stabilisation thermique maximales, les méthodes de compensation et de stabilisation peuvent être employées ensemble.
La figure suivante montre une technique de compensation de diode qui utilise à la fois la compensation de diode et la stabilisation de polarisation automatique. Si la diode et le transistor sont du même type, ils ont le même coefficient de température à travers le circuit. Ici, la diode est polarisée en direct. KVL pour le circuit donné peut être exprimé comme -
$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$
Il est clair d'après l'équation ci-dessus que $ V_ {BE} $ suit VO par rapport à la température et Ic n'aura aucun effet sur les variations de $ V_ {BE} $. C'est une méthode efficace pour prendre soin du point de fonctionnement du transistor en raison de la variation de $ V_ {BE} $.
Dispositif de compensation de température
Nous pouvons également utiliser un dispositif sensible à la température pour compenser les variations des caractéristiques internes du transistor. La thermistance a un coefficient de température négatif, ce qui signifie qu'avec l'augmentation de la température, sa résistance diminue de façon exponentielle. La figure suivante montre un circuit qui utilise une thermistance (R T ) pour réduire l'augmentation du courant de collecteur due à un changement de $ V_ {BE} $, ICO ou β avec la température.
Lorsque la température augmente, R T diminue et le courant alimenté par R T dans R E augmente. La chute de tension d'action aux bornes de R E est dans la direction opposée à la polarisation inverse du transistor. R T agit de manière à tendre à compenser l'augmentation de IC, qui augmente du fait de la montée en température.