Rappels de cours d'électronique générale avec exemples A l'usage des étudiants de 2 année

104 Pages·2017·1.38 MB·French

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE

HOUARI BOUMEDIENE

Faculté d’Electronique et d’Informatique
Département Télécommunications

Rappels de cours d’électronique générale avec
exemples

éme
A l’usage des étudiants de 2 année licence :
Electronique, Télécommunications et
Electrotechnique

Réalisé par :
Dr Fatma zohra CHELALI
Enseignante à l’USTHB, Faculté d’électronique et d’informatique

Année universitaire : 2013-2014

Dr. Fatma Zohra CHELALI 1
Préambule

Ce polycopie résulte de notes de cours d’Electronique générale que j’ai enseigné au niveau de
l’école supérieure des Techniciens d’Aéronautique. Il comporte des notes de cours et quelques
exercices d’applications.

Le manuscrit est présenté comme suit :
Le chapitre 1 présente quelques rappels sur les semi-conducteurs ;
Le chapitre 2 présente une étude sur le fonctionnement des diodes ;
Le chapitre 3 décrit le transistor à jonction ainsi que ses applications ;
Le chapitre 4 présente l’amplification à base de transistors ;
Le chapitre 5 présente le transistor à effet de champ ;
Le chapitre 6 présente l’amplification à plusieurs étages ;
Le chapitre 7 présente l’amplificateur à courant continu.

Ce polycopie étant essentiellement un ouvrage d’enseignement, je souhaiterai qu’il soit enrichi dans
le futur avec d’autres exemples. J’espère qu’il sera utile pour les étudiants de la deuxième année
Licence Electronique, Télécommunications et automatisme.

Dr. Fatma Zohra CHELALI 2
Sommaire

Rappels fondamentaux .................................................................................................... 5
Conduction dans les solides ............................................................................................. 5
Chapitre I .......................................................................................................................... 5
Les Semi-conducteurs ..................................................................................................... 5
Rappels fondamentaux sur les conducteurs .................................................................. 5
Mécanisme de conduction .................................................................................................................. 5
Mobilité-Résistivité ............................................................................................................................. 5
Isolants ............................................................................................................................... 6
1.1 Définition ..................................................................................................................... 7
1.2 Agitation thermique ................................................................................................... 7
1.3 Résistivité .................................................................................................................... 7
1.4 Les semi-conducteurs extrinsèques .......................................................................... 8
1.4.1 SC extrinsèque type N (SC dopé).............................................................................................. 8
1.4.2 SC extrinsèque type P ................................................................................................................ 9
1.4.3 Relation entre les concentrations en porteurs , résistivité ................................................... 10
1.5 La jonction PN ......................................................................................................... 10
1.5.1 Généralités ............................................................................................................................... 10
1.5.2 Jonction PN non polarisée ...................................................................................................... 11
1.5.3 Jonction PN polarisée .............................................................................................................. 13
Chapitre 2 ........................................................................................................................ 15
La diode à jonction ......................................................................................................... 15
2.1 symbole ..................................................................................................................... 15
2.2 Caractéristique courant – tension .......................................................................... 16
2.3 Diode zener ............................................................................................................... 18
2.4 Fonctions à diodes .................................................................................................... 21
2.4.1 Redressement simple alternance........................................................................................... 21
2.4.2 Redressement double alternance ........................................................................................... 22
2.4.3 Redressement simple alternance avec filtrage...................................................................... 24
2.4.4 Redressement double alternance avec filtrage capacitif ..................................................... 25
2.5 Autres applications ..................................................................................................................... 26
2.5.1 les limiteurs à diode.................................................................................................................. 26
Chapitre III ..................................................................................................................... 29
Le transistor à jonction .................................................................................................. 29
III- Description générale du transistor ........................................................................ 29
III-1- constitution ........................................................................................................... 29
III-2- Principe de fonctionnement et effet transistor .................................................. 29
III-3- Relations fondamentaux ...................................................................................... 31
III-4- Les trois montages fondamentaux à transistors ............................................... 31
III-5- réseaux de caractéristiques du transistor .......................................................... 33
III-6- Polarisation d’un transistor ................................................................................ 37
III-6-1- Polarisation par une résistance unique ............................................................................. 37
III-6-2- Polarisation par pont........................................................................................................... 39
Dr. Fatma Zohra CHELALI 3
III-6-3 résistance entre base et collecteur ....................................................................................... 40
III-6-4- Blocage et saturation d’un transistor ................................................................................ 40
Chapitre IV ..................................................................................................................... 42
Amplification à transistor .............................................................................................. 42
IV-1- Comportement en dynamique ............................................................................. 42
IV-1-a-les divers paramètres de définition d’un transistor ........................................................... 42
IV-1-b- les différentes configurations de montage d’un transistor .............................................. 43
IV-2-Schema dynamique du transistor émetteur commun ........................................ 44
IV-3-Amplificateur à émetteur commun ..................................................................... 44
IV-4- Amplificateur émetteur commun avec RE découplée ..................................... 47
IV- 5- Amplificateur à collecteur commun .................................................................. 50
IV-6- Amplificateur à base commune .......................................................................... 53
Chapitre 5 ........................................................................................................................ 58
LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP ................................................................ 58
5.1 Introduction ............................................................................................................. 58
5.2 Transistor à effet de champ à jonction .................................................................. 58
2.2.1 Constitution schématique ....................................................................................................... 58
5.2.2 Représentation symbolique .................................................................................................... 58
5.3 Fonctionnement du TEC ........................................................................................ 59
5.4 Polarisation automatique ........................................................................................ 61
5.5 Les applications du transistor à effet de champ .................................................... 61
5.6 Calcul des paramètres dynamiques de l’amplificateur ....................................... 62
Chapitre 6 ........................................................................................................................ 68
Amplification à plusieurs étages ................................................................................... 68
Liaison entre plusieurs étages ( couplage) ................................................................... 68
6.1 La fonction amplification ......................................................................................... 68
6.2 Introduction ............................................................................................................. 70
6.3 Couplage par un condensateur ............................................................................. 71
VI- 4- Couplage par transformateur ............................................................................ 72
6.5 couplage direct ......................................................................................................... 73
Chapitre 7 ........................................................................................................................ 75
Amplificateurs à courant continu ................................................................................. 75
7.1 Amplificateur différentiel ....................................................................................... 75
7.1.1 Définition................................................................................................................................... 75
7.1.2 Schéma du montage ................................................................................................................ 75
7.2 Amplificateur opérationnel .................................................................................... 79
7.2.1 Définition.................................................................................................................................. 79
7.2.3 Opérations sur les signaux à laide d’un AOP ....................................................................... 81
7.2.3.3 Intégration et dérivation .................................................................................... 85
7.2.3.4 Amplificateur exponentiel : .................................................................................................... 86
Exercices d’applications ................................................................................................ 89

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Université des Sciences et de Technologie Houari Boumedienne/ Electronique et informatique

Rappels fondamentaux
Conduction dans les solides

Chapitre I
Les Semi-conducteurs

Rappels fondamentaux sur les conducteurs
Les conducteurs ont la propriété de permettre un passage facile du courant électrique. cette propriété
est dû au fait que les électrons dits externes se libèrent très facilement de la couche périphérique pour
circuler de façon désordonnée à travers le réseau d’ions fixes du cristal .

Mécanisme de conduction
Appliquer une différence de potentiel revient à appliquer un champ électrique 
E
A l’intérieur du conducteur, dirigé vers le potentiel le plus faible.

Se ns conv entionn el du co urant


E

 é
F
é 
F

Les é libres sont alors soumis à une forcee* et acquiérent un mouvement
F E
d’ensemble vers l’extrémité de potentiel le plus élevé . ce déplacement constitue le courant électrique .
Remarque :
Le sens de déplacement est l’inverse du sens conventionnel du courant.

Mobilité-Résistivité
Les é soumis à une force constante devraient selon le principe fondamental de la dynamique
prendre un mouvement uniformément accéleré ; or les mailles du reseau ont des dimensions tel que
les é en moucvement heurtent sans cesse les ions fixes constituants le motif de ces mailles , ces
chocs provoquent un freinage très vite, les é libres acquiérent une vitesse limite que l’on admettera
proportionnelle au champ V=µE.
Le coefficient de proportionnalité µ s’appelle « mobilité » s’exprime en métres carrés par volt par
seconde.

 
V E


V

Vdt
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Soit dQ la charge qui traverse une section droite du conducteur pendant un intervalle de temps
dt infiniment petit.
dQ=e.n.s.v.dt
e :charge de l’électron
n :la concentration en électrons par unité de volume .
s :section du conducteur.
V : vitesse d’écoulement.

dQ
I  e.n.s.v
Par définition dt
et v .E
I=e.n.s.µ.E
Si on définit la densité de courant dans le conducteur par la relation
I
J   J e.n..E et ontire J .E
S
Le coefficient  dépend de n et µ du matériau , est appellé « conductivité » s’exprime en
1.m1 .
Son inverse  est appelé « résistivité » du conducteur s’exprime en .m

Isolants
Les isolants ou diélectriques sont des matériaux ayant une résistivité très élevée :
108 à1016 .m
, car ils contiennent très peu d’électrons libres. Un isolant est caractérisé par ses
propriétés électriques, mécaniques, chimiques et thermiques.

Les isolants interdisent le passage du courant (clacquage de l’isolant)  est élevée

E E

Bc

Bc

E BI
g

Bv

Metal Semi- conducteur

E

Bc

Bande interdite

Isolant

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La bande de conduction contient des niveaux d’énergie succeptibles d’etre occupés par les é ayant
une énergie suffisante pour se libérer de l’attraction du noyau.

La bande de valence : succeptible d’etre occuppée par des é de valence lorsqu’ils sont dans leurs
états énérgétiques les plus faibles (au zéro absolu).

1.1 Définition
Les semi-conducteurs utilisés dans la fabrication des diodes et transistors sont des corps solides qui ont
des propriétés intermédiaires entre celles des conducteurs et celles des isolants à la température
ordinaire (25°c) . Aux très basses fréquences se comportent comme des isolants et aux températures
élevées comme des conducteurs.
Etudions la structure d’un semi-conducteur : Silicium
L’atome Si a 04 électrons sur la couche externe et pour se mettre à l’état stable ; il forme 04 liens
covalents avec les 04 atomes qui l’entourent.

1.2 Agitation thermique
Si la température du cristal de Si est supérieure au zéro absolu ; le cristal a reçu de l’énergie sous forme
thermique, cet apport d’énergie se traduit par une vibration des atomes. L’amplitude augmente avec
l’énergie sous l’action d’une agitation thermique intense, des électrons peuvent quitter leurs atomes
d’origine et devenir des é libres.

Si Si

Si

S i Si

Electron(-e)

Une liaison
cova lente

Trou(+e)

Un semiconducteur qui posséde un nombre égal de porteurs de deux éspéces est dit intrinséque (n=p)
i i

1.3 Résistivité
Si on applique un champ éléctrique à l’intérieur du semiconducteur les porteurs libres prennent un
mouvement d’ensemble :
- les trous dans le sens du champ.
- Les é au sens inverse.
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Ce double déplacement constitue le courant électrique.

E


V
p

 é
Vn é 
Vn

+ -

On définit pour les porteurs négatifs : V =µ .E tel que µ : la mobilité des é
n n n
Et pour les porteurs positifs : V =µ .E tel que µ : mobilité des trous.
p p p

La conductivité des semi-conducteurs = conductivité des é + conductivité des trous.

  e(n .  p . )
n p i n i p

1 1 1
la résistivité :   
e(n  p ) e.n (  ) e.p (  )
i n i p i n p i n p

1.4 Les semi-conducteurs extrinsèques
1.4.1 SC extrinsèque type N (SC dopé)
le dopage d’un SC consiste à introduire des atomes étrangers dans la structure du SC à l’ordre d’un
atome d’impuretés pour 100 millions d’atomes de Si ou de Ge . les atomes dopeurs , sont des atomes
pentavalents comme L’ARSENIC (AS) ; le phosphore (P) : introduisons un atome pentavalent (P) dans
un cristal intrinsèque , cet atome ne peut créer que 04 liaisons avec les 04 atomes du Si voisins. Le 5éme
électron non engagé dans une liaison covalente sera facilement expulsé (E =0.01ev)
n

Si Si

5éme é en

Si excès
P

Si Si

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Si Si

Electron
S i libre
P+

Si Si

Ion

positif

Electron libre (e)

Atome

donneur

Ion positif (P+)

1.4.2 SC extrinsèque type P

Si on introduit dans un réseau une impureté trivalente ( Al, Bore, Galium) , les atomes d’impureté ne
peuvent établir que 03 liaisons covalentes avec les atomes de Si voisins ( ils fournissent un trou) , une
très faible énergie sera nécessaire pour qu’un électron d’une liaison voisine vienne combler ce trou
avec apparition d’un nouveau trou ( ces atomes trivalents appelés atomes accepteurs).

Trou en
excès Si Si

Si
B

Si Si

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Ion
négati f S i Si

Si
B-

Si Si

Trou libre

1.4.3 Relation entre les concentrations en porteurs , résistivité
Pour un semiconducteur type N :

Soit : N la concentration en atomes donneurs.
D
(n la concentration en porteurs négatifs
n
(p la concentration en porteurs positifs
n
Un semiconducteur neutre n =N +p )
n D n
La concentration en porteurs négatifs ( majoritaires ) est très supérieure à la concentration en porteurs
n p n p
positifs ( minoritaires) n >>p  p  i i  i i
n n n n N
n d
1
La résistivité  
N e.N .
d n
Pour un semiconducteur type P :
Soit : N : concentration en atomes accepteurs.
a
( n : concentration en porteurs négatifs)
p
( p : concentration en porteurs positifs)
p
neutralité électrique du Sc : p =N +n
p a p
la concentration en porteurs positifs >>concentration en porteurs négatifs.
P >>n c'est-à-dire P =N
p p p a
n .p n .p
P .n =p .n n  i i  i i
p p i i p p N
p a

1
La résistivité  
p e.N .
a p

1.5 La jonction PN
1.5.1 Généralités
On réalise dans un barreau de semiconducteur une conductibilité de type P dans une région et de type N
dans l’autre ; la zone de séparation est appelée jonction PN.

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