MESURES SUR LES SEMI-CONDUCTEURS SPECIAUX

# MESURES SUR LES SEMI-CONDUCTEURS SPECIAUX ## 19- Mesures sur les semi-conducteurs spéciaux 1ière partie ### Introduction Dans le monde de l'électronique, les composants que nous utilisons ne se limitent pas aux résistances, condensateurs ou diodes classiques. Il existe une famille de semi-conducteurs dits "spéciaux" qui possèdent des propriétés uniques et sont essentiels à de nombreuses applications modernes, de la régulation de tension à l'éclairage en passant par la communication optique. Cette leçon, la première partie de notre étude, se concentrera sur la compréhension de ces composants et, surtout, sur la manière de les caractériser et de réaliser des mesures pertinentes pour s'assurer de leur bon fonctionnement et de leurs performances. Nous explorerons les principes de base de certains de ces composants spéciaux, leurs symboles, leurs caractéristiques fondamentales et les techniques de mesure associées. ### Concepts Clés #### 1. La Diode Zener La diode Zener est un type particulier de diode conçue pour fonctionner de manière fiable dans la région de claquage inverse. Elle est principalement utilisée pour la régulation de tension. * **Symbole**: Le symbole de la diode Zener est similaire à celui d'une diode classique, mais avec des barres perpendiculaires au trait de la cathode, formant un 'Z'. Anode ---|>---Z--- Cathode * **Principe de fonctionnement**: * **Polarisation directe**: La diode Zener se comporte comme une diode classique, avec une tension de seuil d'environ 0,7V pour le silicium. * **Polarisation inverse**: C'est ici que la Zener révèle sa spécificité. Lorsqu'une tension inverse atteint une valeur spécifique, appelée **tension Zener** (\( V_Z \)), la diode commence à conduire un courant significatif, tout en maintenant la tension à ses bornes relativement constante, même si le courant inverse continue d'augmenter. C'est le phénomène de claquage Zener ou d'avalanche. * **Caractéristique Courant-Tension (I-V)**: La caractéristique I-V d'une diode Zener montre clairement trois régions: * **Région directe**: Courant élevé pour \( V > 0.7V \). * **Région inverse faible**: Très faible courant (courant de fuite) pour \( 0 < V < V_Z \). * **Région de claquage inverse**: Courant inverse rapide pour \( V \approx V_Z \). \[ I_Z = f(V_Z) \] * **Mesures typiques sur une diode Zener**: * **Tension Zener (\( V_Z \))**: C'est la tension régulée par la diode. Elle est mesurée en appliquant une tension inverse croissante à la diode, en série avec une résistance de limitation de courant, et en mesurant la tension aux bornes de la diode lorsque le courant inverse atteint une valeur spécifiée par le fabricant (souvent \( I_{ZT} \)). * **Courant Zener (\( I_Z \))**: Courant qui traverse la diode lorsque la tension à ses bornes est égale à \( V_Z \). On mesure \( I_Z \) pour vérifier la capacité de régulation de la diode. * **Résistance dynamique (\( r_z \))**: Elle représente la variation de la tension Zener par rapport à la variation du courant Zener. \( r_z = \frac{\Delta V_Z}{\Delta I_Z} \). Une faible résistance dynamique indique une meilleure régulation. #### 2. La Diode Électroluminescente (DEL ou LED) La DEL est un composant optoélectronique qui convertit l'énergie électrique en lumière. * **Symbole**: Le symbole d'une DEL est celui d'une diode classique avec deux flèches sortant, indiquant l'émission de lumière. Anode ---|>--->---- Cathode \ / \/ * **Principe de fonctionnement**: * Lorsqu'elle est polarisée en direct, des électrons et des trous se recombinent à la jonction p-n. Cette recombinaison libère de l'énergie sous forme de photons, produisant de la lumière. La couleur de la lumière dépend du matériau semi-conducteur utilisé. * La DEL nécessite un courant direct pour émettre de la lumière. Elle doit toujours être alimentée avec une résistance en série pour limiter le courant et éviter sa destruction. * **Caractéristique Courant-Tension (I-V)**: Similaire à une diode classique en polarisation directe, avec une tension de seuil (ou tension directe, \( V_F \)) qui dépend de la couleur de la lumière émise (généralement entre 1.8V pour le rouge et 3.5V pour le bleu/blanc). \[ I_F = f(V_F) \] * **Mesures typiques sur une DEL**: * **Tension directe (\( V_F \))**: Mesurée en polarisant la DEL en direct avec un courant spécifié (\( I_F \)) et en utilisant un voltmètre. * **Courant direct (\( I_F \))**: Mesuré en plaçant un ampèremètre en série avec la DEL et sa résistance de limitation. * **Luminosité**: Bien que plus complexe à mesurer précisément (nécessite un luxmètre ou une photodiode calibrée), une évaluation qualitative est souvent suffisante pour vérifier le fonctionnement (la DEL s'allume-t-elle correctement ?). #### 3. L'Optocoupleur (ou Opto-isolateur) Un optocoupleur est un composant qui permet de transmettre un signal électrique entre deux circuits qui doivent être électriquement isolés l'un de l'autre. * **Symbole**: Un optocoupleur combine généralement une DEL d'entrée et un phototransistor ou une photodiode de sortie, isolés optiquement à l'intérieur d'un même boîtier. Entrée (DEL) -------> (Lumière) -------> Sortie (Phototransistor) * **Principe de fonctionnement**: * Une tension appliquée à l'entrée de la DEL l'allume. * La lumière émise par la DEL est détectée par le composant sensible à la lumière (par exemple, un phototransistor) en sortie. * Le phototransistor conduit alors un courant proportionnel à l'intensité lumineuse reçue, transmettant ainsi le signal sans contact électrique direct entre l'entrée et la sortie. * **Mesures typiques sur un optocoupleur**: * **Tension/courant d'entrée de la DEL**: Similaires aux mesures sur une DEL seule. * **Tension/courant de sortie**: Mesurer le courant ou la tension aux bornes du phototransistor/photodiode en sortie lorsque la DEL d'entrée est activée. Cela vérifie que le signal est bien transmis. * **Taux de Transfert de Courant (CTR - Current Transfer Ratio)**: C'est le rapport du courant de sortie au courant d'entrée, exprimé en pourcentage. \( CTR = \frac{I_{out}}{I_{in}} \times 100\% \). C'est un paramètre clé qui indique l'efficacité de l'optocoupleur. ### Vocabulaire * **Diode Zener**: Diode conçue pour réguler la tension en fonctionnement en polarisation inverse, dans la région de claquage. * **Tension Zener (\( V_Z \))**: Tension constante aux bornes d'une diode Zener lorsqu'elle est en mode de régulation inverse. * **Claquage Zener/Avalanche**: Phénomène par lequel une diode conduit un courant significatif en polarisation inverse lorsque la tension atteint une valeur critique. * **Diode Électroluminescente (DEL/LED)**: Composant semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'il est traversé par un courant électrique. * **Tension directe (\( V_F \))**: Tension aux bornes d'une DEL (ou diode) polarisée en direct, à partir de laquelle elle commence à conduire et à émettre de la lumière (pour une DEL). * **Optocoupleur**: Composant qui permet de transmettre un signal électrique entre deux circuits isolés galvaniquement par l'intermédiaire de la lumière. * **Isolation Galvanique**: Séparation électrique complète entre deux circuits, empêchant le courant de circuler directement entre eux. * **Phototransistor**: Transistor dont le courant de base est contrôlé par la lumière incidente. * **Taux de Transfert de Courant (CTR)**: Pourcentage du courant de sortie par rapport au courant d'entrée d'un optocoupleur. ### Exemples #### 1. Mesure de la tension Zener Pour mesurer \( V_Z \) d'une diode Zener de 5.1V: 1. Assemblez un circuit avec une source de tension continue (par exemple, 12V), une résistance de 470 \( \Omega \) en série avec la diode Zener (polarisation inverse, anode vers la masse, cathode vers la résistance). 2. Connectez un voltmètre en parallèle aux bornes de la diode Zener. 3. Lisez la tension. Vous devriez obtenir une valeur proche de 5.1V, même si la tension d'alimentation varie (dans certaines limites). #### 2. Vérification du fonctionnement d'une DEL Pour vérifier une DEL rouge : 1. Connectez une résistance de 220 \( \Omega \) en série avec la DEL à une alimentation de 5V (anode de la DEL vers la résistance, cathode vers la masse). 2. La DEL doit s'allumer. Si elle ne s'allume pas, vérifiez la polarité ou la valeur de la résistance. Si elle s'allume mais est très faible, mesurez le courant (il devrait être autour de 10-20mA). #### 3. Test de base d'un optocoupleur Pour tester un optocoupleur (par exemple, PC817) : 1. Connectez la broche d'entrée de la DEL (broche 1) via une résistance de 330 \( \Omega \) à une source de 5V. La broche 2 (cathode de la DEL) à la masse. 2. Connectez la broche 4 (émetteur du phototransistor) à la masse. Connectez la broche 3 (collecteur du phototransistor) via une résistance de 1k\( \Omega \) à une source de 5V. 3. Placez un voltmètre entre la broche 3 et la masse. Lorsque la DEL d'entrée est activée (broche 1 à 5V), le phototransistor doit conduire, et la tension à la broche 3 devrait chuter (vers 0.2V-0.5V). Si la DEL d'entrée est désactivée, la tension à la broche 3 devrait être proche de 5V. ### Exercices 1. Quelle est la fonction principale d'une diode Zener ? Dans quel mode de polarisation est-elle utilisée pour cette fonction ? 2. Vous mesurez une tension de 2.2V aux bornes d'une DEL verte traversée par un courant de 15mA. Quelle est cette tension ? Si vous remplacez la DEL verte par une DEL bleue, attendez-vous à une tension directe plus élevée ou plus basse, et pourquoi ? 3. Expliquez pourquoi une résistance en série est toujours nécessaire pour alimenter une DEL. 4. Décrivez l'avantage principal de l'utilisation d'un optocoupleur dans un circuit électronique. Donnez un exemple d'application. ### Devoir 1. Recherchez trois applications courantes des diodes Zener autres que la régulation de tension simple. Décrivez brièvement leur principe de fonctionnement. 2. Vous disposez d'une DEL rouge avec une tension directe de 1.8V et un courant nominal de 20mA. Vous souhaitez l'alimenter avec une source de 9V. Calculez la valeur de la résistance que vous devriez utiliser en série. Dessinez le schéma de ce circuit. 3. Qu'est-ce que le CTR d'un optocoupleur ? Pourquoi est-ce une caractéristique importante pour choisir un optocoupleur ? Indiquez un CTR typique pour un optocoupleur courant. 4. En utilisant un multimètre en mode test de diode, décrivez comment vous vérifieriez rapidement si une DEL est fonctionnelle et quelle information cela vous donnerait sur sa couleur (qualitativement). ### Résumé Dans cette première partie sur les semi-conducteurs spéciaux, nous avons exploré trois composants fondamentaux : la diode Zener, la DEL et l'optocoupleur. Nous avons appris que la **diode Zener** est utilisée pour la régulation de tension grâce à son comportement en claquage inverse, et que sa **tension Zener** (\( V_Z \)) est un paramètre clé à mesurer. La **DEL** (diode électroluminescente) convertit l'électricité en lumière, nécessitant une résistance de limitation et caractérisée par sa **tension directe** (\( V_F \)). Enfin, l'**optocoupleur** fournit une isolation galvanique cruciale entre circuits, en utilisant la lumière pour transmettre des signaux, et son **Taux de Transfert de Courant (CTR)** est essentiel pour évaluer son efficacité. La compréhension de leurs symboles, principes de fonctionnement et méthodes de mesure est essentielle pour leur utilisation correcte en électronique. ## 20- Mesures sur les semi-conducteurs spéciaux 2ième partie ### Introduction Dans cette deuxième partie sur les mesures des semi-conducteurs spéciaux, nous allons explorer des composants plus complexes qui réagissent à la lumière ou nécessitent un contrôle de déclenchement spécifique. Nous nous concentrerons sur les phototransistors et les thyristors (SCR, DIAC, TRIAC), en détaillant leurs principes de fonctionnement, leurs caractéristiques essentielles et les méthodes de mesure appropriées. Ces connaissances sont fondamentales pour comprendre et concevoir des circuits électroniques dans des applications variées, allant des systèmes de détection optique aux circuits de puissance. ### Concepts Clés #### 1. Mesures sur les phototransistors Les phototransistors sont des transistors bipolaires sensibles à la lumière. Ils convertissent l'énergie lumineuse incidente en un courant électrique, offrant une sensibilité supérieure aux photodiodes grâce à leur effet d'amplification interne. ##### Principe de fonctionnement Un phototransistor fonctionne comme un transistor NPN ou PNP standard, mais sa base est sensible à la lumière. Lorsqu'une lumière (photons) frappe la jonction base-collecteur, elle génère des paires électron-trou, qui à leur tour créent un courant de base. Ce courant de base est amplifié par l'effet transistor, produisant un courant collecteur beaucoup plus important. ##### Caractéristiques principales * **Courant collecteur d'obscurité (\( I_{CEO(dark)} \))**: Le courant qui traverse le collecteur en l'absence de lumière. Il doit être très faible. * **Sensibilité spectrale**: La gamme de longueurs d'onde lumineuses auxquelles le phototransistor est le plus sensible. * **Courant collecteur en fonction de l'éclairement (\( I_C \) vs. éclairement)**: La caractéristique la plus importante, montrant comment le courant de sortie varie avec l'intensité lumineuse. * **Temps de réponse**: La vitesse à laquelle le phototransistor peut réagir aux changements d'intensité lumineuse. ##### Méthodes de mesure Pour caractériser un phototransistor, on peut mesurer: * **Le courant collecteur d'obscurité**: Brancher le phototransistor dans un circuit avec une résistance de charge au collecteur et un multimètre en série, puis couvrir le phototransistor pour bloquer toute lumière ambiante. Mesurer le courant. * **La courbe \( I_C = f(éclairement) \)**: 1. Monter le phototransistor avec une polarisation correcte (\( V_{CE} \) constant) et une résistance de charge. 2. Utiliser une source lumineuse calibrée (par exemple, une ampoule avec un variateur ou une LED de puissance) et un luxmètre pour mesurer l'éclairement. 3. Mesurer le courant collecteur (\( I_C \)) pour différentes valeurs d'éclairement. 4. Tracer la courbe \( I_C \) en fonction de l'éclairement. * **Le gain en courant photoélectrique (\( eta_p \))**: Bien que moins commun que pour les transistors standards, on peut estimer un gain en comparant le courant de base photo-généré au courant collecteur. #### 2. Mesures sur les Thyristors (SCR - Silicon Controlled Rectifier) Le SCR est un composant à quatre couches (P-N-P-N) qui agit comme un interrupteur unidirectionnel. Il reste à l'état bloqué (non conducteur) jusqu'à ce qu'un courant soit appliqué à sa gâchette (Gate) ou que sa tension anodique-cathodique dépasse une valeur critique. ##### Principe de fonctionnement Un SCR possède trois bornes: l'anode (A), la cathode (K) et la gâchette (G). Il bloque le courant dans les deux sens lorsque la gâchette n'est pas activée. Lorsque la tension anode-cathode est positive et qu'un petit courant est injecté dans la gâchette, le SCR se déclenche et passe à l'état conducteur (saturé). Une fois déclenché, il reste conducteur même si le courant de gâchette est retiré, tant que le courant traversant l'anode et la cathode (courant direct) reste supérieur à un certain seuil appelé courant de maintien (\( I_H \)). ##### Caractéristiques statiques * **Tension de blocage directe (\( V_{DRM} \))**: Tension maximale directe que le SCR peut bloquer avant de se déclencher sans signal de gâchette. * **Tension de blocage inverse (\( V_{RRM} \))**: Tension inverse maximale que le SCR peut bloquer sans claquage. * **Courant de maintien (\( I_H \))**: Courant minimal anode-cathode nécessaire pour maintenir le SCR à l'état passant. * **Courant d'enclenchement (\( I_L \))**: Courant minimal anode-cathode nécessaire pour que le SCR reste passant après le retrait du signal de gâchette. Généralement, \( I_L > I_H \). * **Courant de gâchette de déclenchement (\( I_{GT} \)) et tension de gâchette de déclenchement (\( V_{GT} \))**: Courant et tension minimaux à appliquer à la gâchette pour déclencher le SCR. * **Tension à l'état passant (\( V_T \))**: La chute de tension anode-cathode lorsque le SCR est à l'état passant (généralement faible, environ 1 à 2 V). ##### Méthodes de mesure * **Mesure des courants \( I_H \) et \( I_L \)**: 1. Monter un circuit série avec une alimentation ajustable, une résistance de charge, le SCR et un ampèremètre. Un générateur de courant de gâchette doit être présent. 2. Déclencher le SCR en appliquant un courant \( I_G \). 3. Pour \( I_H \): Réduire progressivement le courant anode-cathode jusqu'à ce que le SCR s'éteigne. La valeur du courant juste avant l'extinction est \( I_H \). 4. Pour \( I_L \): Après avoir déclenché le SCR, retirer le signal de gâchette. Augmenter le courant anode-cathode jusqu'à ce que le SCR se maintienne en conduction, puis le réduire légèrement pour trouver la valeur minimale. (Une autre méthode est de l'inclure dans un circuit de test avec un bouton momentané pour la gâchette, et d'ajuster le courant de charge). * **Mesure de \( I_{GT} \) et \( V_{GT} \)**: 1. Monter un circuit avec une alimentation \( V_{AK} \) constante (par exemple 12V), une résistance de charge et le SCR. 2. Appliquer une impulsion de tension/courant à la gâchette via une résistance variable et un ampèremètre/voltmètre. 3. Augmenter progressivement le courant de gâchette (ou la tension de gâchette) jusqu'à ce que le SCR se déclenche. Noter les valeurs de \( I_G \) et \( V_G \) à ce moment. #### 3. Mesures sur les DIAC et TRIAC Les DIAC et TRIAC sont des composants bidirectionnels, souvent utilisés dans des circuits de contrôle de puissance en courant alternatif. ##### Principe de fonctionnement * **DIAC (Diode for Alternating Current)**: Un DIAC est un interrupteur bidirectionnel qui se déclenche (conduit) lorsque la tension à ses bornes (dans n'importe quel sens) dépasse une certaine valeur, appelée tension de claquage (\( V_{BO} \)). Il est souvent utilisé pour déclencher les TRIAC. * **TRIAC (Triode for Alternating Current)**: Un TRIAC est l'équivalent bidirectionnel d'un SCR. Il peut être déclenché par un courant de gâchette dans les deux polarités de tension anode-cathode, permettant de contrôler la puissance d'une charge en courant alternatif. ##### Caractéristiques et mesures * **Tension de claquage (\( V_{BO} \)) pour le DIAC**: C'est la tension pour laquelle le DIAC commence à conduire. Elle est mesurée en appliquant une tension croissante aux bornes du DIAC et en observant la tension à laquelle il commence à chuter (le courant augmente fortement). Un testeur de composants ou un circuit avec une source de tension variable et un oscilloscope peut être utilisé. Pour un DIAC, \( V_{BO} \) est généralement comprise entre 20 et 40V. * **Tension de déclenchement (\( V_{GT} \)) et courant de déclenchement (\( I_{GT} \)) pour le TRIAC**: Similaire au SCR, mais le TRIAC peut être déclenché avec un courant de gâchette positif ou négatif, pour des tensions principales positives ou négatives. * **Courant de maintien (\( I_H \)) pour le TRIAC**: Similaire au SCR, mais pour les deux sens de courant. ### Vocabulaire * **Phototransistor**: Transistor bipolaire dont le courant de base est généré par l'exposition à la lumière. * **Éclairement**: Mesure de l'intensité lumineuse tombant sur une surface, souvent exprimée en lux (lx). * **SCR (Silicon Controlled Rectifier)**: Thyristor unidirectionnel qui agit comme un interrupteur et est déclenché par un courant de gâchette. * **Gâchette (Gate)**: Borne de commande d'un thyristor (SCR ou TRIAC) qui permet de le déclencher. * **Courant de maintien (\( I_H \))**: Courant minimal nécessaire pour maintenir un SCR ou TRIAC à l'état passant. * **Courant d'enclenchement (\( I_L \))**: Courant minimal nécessaire pour qu'un SCR ou TRIAC reste passant après la suppression du signal de gâchette. * **DIAC (Diode for Alternating Current)**: Diode bidirectionnelle qui se déclenche lorsque la tension à ses bornes atteint sa tension de claquage. * **TRIAC (Triode for Alternating Current)**: Thyristor bidirectionnel à trois bornes, capable de contrôler le courant alternatif en étant déclenché par la gâchette. * **Tension de claquage (\( V_{BO} \))**: Tension à laquelle un DIAC ou un autre composant bidirectionnel commence à conduire sans signal de gâchette. ### Exemples 1. **Contrôle de l'éclairage automatique avec un phototransistor**: Un phototransistor peut être utilisé pour détecter le niveau de lumière ambiante. Lorsque la lumière diminue sous un certain seuil, le courant du phototransistor diminue, ce qui peut activer un relais pour allumer des lumières d'extérieur ou d'intérieur. La calibration implique la mesure de \( I_C \) à différents niveaux d'éclairement. 2. **Variateur de lumière avec un TRIAC**: Un TRIAC est au cœur de nombreux variateurs de lumière domestiques. Le DIAC sert souvent à déclencher le TRIAC à un point précis de la forme d'onde alternative. En mesurant \( V_{GT} \) et \( I_{GT} \) du TRIAC, on peut concevoir un circuit de gâchette efficace pour contrôler l'angle de conduction, et donc la puissance fournie à l'ampoule. 3. **Protection contre les surintensités avec un SCR**: Un SCR peut être utilisé comme un interrupteur de protection. Si un courant excessif est détecté (par exemple, via une chute de tension sur une résistance shunt), un circuit de détection peut envoyer un signal à la gâchette du SCR, déclenchant le SCR et court-circuitant la source d'alimentation (ou activant un disjoncteur) pour protéger le reste du circuit. ### Exercices 1. Décrivez le principe de fonctionnement d'un phototransistor et expliquez pourquoi il est plus sensible à la lumière qu'une photodiode. 2. Quelle est la différence fondamentale entre le courant de maintien (\( I_H \)) et le courant d'enclenchement (\( I_L \)) d'un SCR? 3. Vous disposez d'un phototransistor. Proposez un protocole de mesure pour déterminer sa courbe caractéristique \( I_C = f(éclairement) \) en utilisant un luxmètre et une source lumineuse variable. 4. Expliquez pourquoi un DIAC est souvent utilisé en conjonction avec un TRIAC dans les circuits de contrôle de puissance en courant alternatif. 5. Si un SCR est déclenché et qu'il conduit un courant de 500 mA, comment pouvez-vous l'éteindre si vous ne pouvez pas retirer le signal de gâchette? Précisez la condition essentielle pour son extinction. ### Devoir 1. Recherchez les fiches techniques (datasheets) de deux phototransistors différents et comparez leurs sensibilités spectrales, leurs courants d'obscurité maximaux et leurs temps de réponse. Discutez des applications pour lesquelles chacun serait le mieux adapté. 2. Concevez un circuit simple (schéma) utilisant un SCR pour allumer une LED lorsque la tension à ses bornes dépasse une certaine valeur (sans utiliser la gâchette initialement). Expliquez les composants que vous choisiriez et pourquoi. 3. Décrivez un test que vous effectueriez pour vérifier si un TRIAC est défectueux, en vous concentrant sur sa capacité à se déclencher dans les deux sens et à rester conducteur. 4. En quoi la mesure des caractéristiques d'un thyristor est-elle plus complexe que celle d'une simple diode Zener? ### Résumé Cette leçon a approfondi notre compréhension des mesures sur les semi-conducteurs spéciaux en nous concentrant sur les phototransistors, les SCR, les DIAC et les TRIAC. Nous avons appris que les phototransistors sont des capteurs de lumière efficaces grâce à leur amplification interne, nécessitant des mesures de courant collecteur en fonction de l'éclairement. Les SCR sont des interrupteurs unidirectionnels contrôlés par gâchette, dont les caractéristiques clés incluent les courants de maintien (\( I_H \)) et d'enclenchement (\( I_L \)), ainsi que les tensions et courants de gâchette (\( V_{GT} \), \( I_{GT} \)). Enfin, les DIAC et TRIAC sont leurs équivalents bidirectionnels, essentiels pour le contrôle de puissance en courant alternatif, avec le DIAC servant souvent de dispositif de déclenchement pour le TRIAC, caractérisé par sa tension de claquage (\( V_{BO} \)). La maîtrise de ces mesures est cruciale pour le diagnostic, la conception et l'application correcte de ces composants dans l'électronique. ## 21- Mesures sur les semi-conducteurs spéciaux 3ième partie ### Introduction Bienvenue à cette troisième partie sur les mesures des semi-conducteurs spéciaux. Après avoir exploré les bases, nous allons maintenant nous concentrer sur des composants spécifiques comme les diodes Zener et les diodes électroluminescentes (LEDs). Comprendre comment mesurer leurs caractéristiques est essentiel pour leur utilisation correcte dans les circuits électroniques. Nous aborderons également brièvement d'autres composants plus complexes. ### Concepts Clés #### Diode Zener La diode Zener est un type de diode conçue pour fonctionner de manière fiable en polarisation inverse, en maintenant une tension constante à ses bornes une fois que la tension atteint sa *tension Zener*. Elle est principalement utilisée comme régulateur de tension. ##### Principe de Fonctionnement Contrairement aux diodes classiques qui bloquent le courant en inverse, la diode Zener laisse passer un courant significatif une fois que la tension inverse dépasse un certain seuil, appelé **tension Zener** (\( V_Z \)). À partir de ce point, la tension à ses bornes reste quasi constante, même si le courant inverse varie. ##### Mesure de la Tension Zener (\( V_Z \)) Pour mesurer la tension Zener d'une diode Zener, il faut la polariser en inverse avec un courant suffisant mais limité pour ne pas l'endommager. **Circuit de Test :** 1. **Alimentation DC (\( V_{alim} \)) :** Doit être supérieure à la tension Zener nominale de la diode. 2. **Résistance de Limitation (\( R_S \)) :** Indispensable pour limiter le courant traversant la diode et protéger celle-ci, ainsi que l'alimentation. Elle est calculée pour assurer que la diode est dans sa zone Zener sans dépasser son courant maximal. 3. **Diode Zener (\( D_Z \)) :** Connectée en polarisation inverse (cathode vers le positif de l'alimentation, anode vers \( R_S \) puis le négatif). 4. **Voltmètre :** Connecté en parallèle aux bornes de la diode Zener pour mesurer \( V_Z \). 5. **Ampèremètre :** Connecté en série avec la diode pour mesurer le courant Zener (\( I_Z \)). **Procédure :** 1. Montez le circuit selon le schéma. 2. Mettez l'alimentation sous tension. 3. Lisez la tension affichée par le voltmètre. Ce sera la tension Zener \( V_Z \). 4. Vérifiez que le courant \( I_Z \) mesuré par l'ampèremètre est dans la plage de fonctionnement spécifiée par le fabricant (souvent un courant de test \( I_{ZT} \)). ##### Courant Zener (\( I_Z \)) et Puissance Maximale (\( P_Z \)) * Le **courant Zener (\( I_Z \))** est le courant qui traverse la diode lorsqu'elle est dans sa zone de régulation. * La **puissance maximale (\( P_Z \))** que la diode peut dissiper est donnée par la formule : \[ P_Z = V_Z \times I_{Z_{max}} \] Où \( I_{Z_{max}} \) est le courant Zener maximal que la diode peut supporter sans être détruite. Il est crucial de ne jamais dépasser cette valeur lors de la conception de circuits. #### Diode Électroluminescente (LED) La LED est une diode qui émet de la lumière lorsqu'elle est traversée par un courant en polarisation directe. ##### Principe de Fonctionnement Lorsque la LED est polarisée en direct (anode connectée au positif, cathode au négatif) et qu'un courant suffisant la traverse, les électrons et les trous se recombinent et libèrent de l'énergie sous forme de photons (lumière). Chaque couleur de LED correspond à une tension directe (\( V_F \)) et à un courant direct (\( I_F \)) spécifiques. ##### Mesure du Courant Direct (\( I_F \)) et de la Tension Directe (\( V_F \)) Pour que la LED s'allume correctement et ne soit pas endommagée, il faut limiter le courant qui la traverse. **Circuit de Test :** 1. **Alimentation DC (\( V_{alim} \)) :** Fournit la tension nécessaire. 2. **Résistance de Limitation (\( R_S \)) :** Essentielle pour limiter le courant à la valeur nominale de la LED. Elle se calcule avec la loi d'Ohm : \[ R_S = \frac{V_{alim} - V_F}{I_F} \] Où \( V_F \) et \( I_F \) sont la tension et le courant directs nominaux de la LED (fournis par le fabricant). 3. **Diode LED :** Connectée en polarisation directe (anode vers \( R_S \) puis le positif, cathode vers le négatif). 4. **Voltmètre :** En parallèle aux bornes de la LED pour mesurer \( V_F \). 5. **Ampèremètre :** En série avec la LED pour mesurer \( I_F \). **Procédure :** 1. Montez le circuit en calculant au préalable \( R_S \). 2. Mettez l'alimentation sous tension. La LED doit s'allumer. 3. Lisez les valeurs de \( V_F \) et \( I_F \) avec le voltmètre et l'ampèremètre. #### Autres semi-conducteurs spéciaux Il existe de nombreux autres semi-conducteurs spéciaux, chacun avec ses méthodes de mesure spécifiques : * **Thyristors et TRIACs :** Ces composants de puissance nécessitent des mesures de leurs tensions de blocage (\( V_{DRM} \), \( V_{RRM} \)), de leurs courants de maintien (\( I_H \)) et de leurs caractéristiques de gâchette (tension de gâchette \( V_{GT} \), courant de gâchette \( I_{GT} \)) pour déterminer leurs points d'amorçage. * **Photodiodes et phototransistors :** Leurs mesures impliquent l'utilisation d'une source lumineuse calibrée pour évaluer leur réponse en courant ou en tension en fonction de l'éclairement (mesure de la sensibilité spectrale et de la réponse temporelle). ### Vocabulaire * **Diode Zener :** Diode conçue pour réguler une tension en polarisation inverse. * **Tension Zener (\( V_Z \)) :** Tension constante aux bornes d'une diode Zener lorsqu'elle est en mode de régulation inverse. * **Courant Zener (\( I_Z \)) :** Courant traversant une diode Zener en mode de régulation inverse. * **Diode Électroluminescente (LED) :** Diode qui émet de la lumière lorsqu'elle est traversée par un courant direct. * **Tension Directe (\( V_F \)) :** Tension aux bornes d'une LED (ou d'une diode classique) polarisée en direct et conduisant le courant. * **Courant Direct (\( I_F \)) :** Courant traversant une LED (ou une diode classique) en polarisation directe. * **Thyristor / TRIAC :** Composants de puissance utilisés pour le contrôle de l'alimentation AC/DC, souvent pour des charges importantes. * **Gâchette (Gate) :** Électrode de commande d'un thyristor ou d'un TRIAC, permettant de les amorcer (les faire passer à l'état conducteur). ### Exemples #### Exemple 1: Mesure d'une Diode Zener Vous avez une diode Zener de 5.1V. Vous voulez vérifier sa tension Zener. Vous disposez d'une alimentation de 12V DC et d'une résistance de 470 \( \Omega \). 1. **Montage :** Connectez l'alimentation 12V au bornier positif de la résistance de 470 \( \Omega \). L'autre borne de la résistance est connectée à la cathode de la diode Zener. L'anode de la diode Zener est connectée au pôle négatif de l'alimentation. 2. **Mesure :** Placez un multimètre en mode voltmètre en parallèle sur la diode Zener. 3. **Résultat attendu :** Vous devriez lire une tension proche de 5.1V. Le courant traversant la diode sera \( I_Z = (12V - 5.1V) / 470 \Omega \approx 14.7mA \). Assurez-vous que ce courant est dans la plage de fonctionnement de votre diode Zener. #### Exemple 2: Mesure et calcul pour une LED Vous voulez allumer une LED rouge ayant \( V_F \approx 2V \) et \( I_F \approx 20mA \) avec une alimentation de 9V. 1. **Calcul de \( R_S \) :** \[ R_S = \frac{V_{alim} - V_F}{I_F} = \frac{9V - 2V}{20mA} = \frac{7V}{0.02A} = 350 \Omega \] Vous choisiriez la valeur normalisée la plus proche, par exemple 330 \( \Omega \) ou 390 \( \Omega \). 2. **Montage :** Connectez l'alimentation 9V au bornier positif de la résistance (par exemple, 330 \( \Omega \)). L'autre borne de la résistance est connectée à l'anode de la LED. La cathode de la LED est connectée au pôle négatif de l'alimentation. 3. **Mesure :** Placez un multimètre en mode voltmètre en parallèle sur la LED pour mesurer \( V_F \) et un autre en série pour mesurer \( I_F \). 4. **Résultat attendu :** Vous devriez lire \( V_F \) proche de 2V et \( I_F \) proche de 20mA (si \( R_S = 350 \Omega \)). Si vous utilisez 330 \( \Omega \), le courant sera légèrement supérieur, et si vous utilisez 390 \( \Omega \), il sera légèrement inférieur, ce qui est généralement acceptable pour une LED. ### Exercices 1. Expliquez la principale différence de fonctionnement entre une diode standard et une diode Zener lorsqu'elles sont polarisées en inverse. 2. Quelle est la fonction de la résistance en série avec une diode Zener dans un circuit de régulation de tension ? 3. Une LED verte a une tension directe de 2.2V et un courant nominal de 15mA. Si vous utilisez une alimentation de 5V, quelle valeur de résistance de limitation devez-vous utiliser ? 4. Si vous mesurez une diode Zener et que vous obtenez une tension de 0.7V en inverse, que pouvez-vous en conclure ? ### Devoirs 1. Dessinez le schéma d'un circuit permettant de mesurer le courant direct (\( I_F \)) et la tension directe (\( V_F \)) d'une LED. Indiquez la position des appareils de mesure (ampèremètre, voltmètre). 2. Vous avez une diode Zener de 6.8V, 0.5W. Calculez le courant Zener maximal (\( I_{Z_{max}} \)) que cette diode peut supporter. Si vous l'utilisez avec une alimentation de 15V, quelle est la valeur minimale de la résistance série à utiliser pour ne pas endommager la diode ? 3. Faites une recherche sur les applications pratiques des diodes Zener et des LEDs dans les circuits électroniques du quotidien. Citez au moins deux exemples pour chaque composant. ### Résumé Dans cette leçon, nous avons approfondi nos connaissances sur les semi-conducteurs spéciaux en nous concentrant sur les **diodes Zener** et les **LEDs**. Nous avons appris que la diode Zener est utilisée pour la régulation de tension en polarisation inverse, maintenant une tension constante (\( V_Z \)) une fois son seuil atteint, et que le courant doit être limité pour ne pas dépasser sa puissance maximale (\( P_Z = V_Z \times I_{Z_{max}} \)). Pour les **LEDs**, nous avons vu qu'elles émettent de la lumière en polarisation directe et que le calcul précis d'une résistance de limitation (\( R_S = \frac{V_{alim} - V_F}{I_F} \)) est crucial pour garantir leur bon fonctionnement et leur longévité. Nous avons également effleuré d'autres composants complexes comme les thyristors et les photodiodes, soulignant la diversité des mesures spécifiques à chaque type de semi-conducteur spécial. La maîtrise de ces techniques de mesure est fondamentale pour la conception et le dépannage de circuits électroniques. ## 22- Mesures sur les semi-conducteurs spéciaux 4ième partie ### Introduction Bienvenue à cette quatrième partie de notre étude sur les mesures appliquées aux semi-conducteurs spéciaux. Après avoir exploré les diodes et les transistors bipolaires et à effet de champ, nous allons aujourd'hui nous concentrer sur d'autres composants semi-conducteurs qui possèdent des caractéristiques uniques et des applications spécifiques. Comprendre comment les mesurer est crucial pour le diagnostic et la conception de circuits électroniques. ### Concepts Clés #### La Diode Zener La diode Zener est une diode conçue pour fonctionner dans la région de polarisation inverse. Contrairement aux diodes de redressement, elle est spécifiquement fabriquée pour claquer à une tension inverse précise, appelée tension Zener (\(V_Z\)), et maintenir cette tension relativement constante même si le courant inverse varie. * **Principe de fonctionnement**: Utilisée principalement comme régulateur de tension. Lorsqu'elle est polarisée en inverse et que la tension appliquée atteint \(V_Z\), elle conduit le courant en inverse tout en maintenant la tension à ses bornes stable. * **Caractéristique I-V (Inverse)**: * En dessous de \(V_Z\), un très faible courant de fuite (\(I_R\)) circule. * À \(V_Z\), le courant inverse (\(I_Z\)) augmente rapidement tandis que la tension reste quasi constante. * La puissance dissipée doit être limitée: \(P_Z = V_Z \times I_Z\). * **Mesures Clés**: * **Mesure de \(V_Z\)**: Pour mesurer la tension Zener, il faut polariser la diode en inverse avec une source de tension réglable et une résistance de limitation de courant en série. On augmente la tension jusqu'à ce que la diode commence à conduire un courant significatif (par exemple, quelques mA), puis on lit la tension à ses bornes. * **Mesure de la tension directe (\(V_F\))**: Comme une diode standard, elle présente une chute de tension directe d'environ 0,7V (pour le silicium) lorsqu'elle est polarisée en direct. #### La Diode Électroluminescente (LED) La LED (Light-Emitting Diode) est un semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un courant la traverse dans le sens direct. * **Principe de fonctionnement**: Lorsqu'une tension est appliquée dans le sens direct, les électrons et les trous se recombinent à la jonction p-n, libérant de l'énergie sous forme de photons (lumière). * **Polarisation**: Les LEDs nécessitent une polarisation directe et une résistance de limitation de courant pour éviter leur destruction. La tension de seuil (\(V_F\)) varie selon la couleur de la LED (ex: 1.8V pour le rouge, 3.2V pour le bleu). * **Mesures Clés**: * **Mesure de la tension directe (\(V_F\))**: Utiliser un multimètre en mode voltmètre pour mesurer la tension aux bornes de la LED lorsqu'elle est correctement polarisée en série avec une résistance de limitation. Cette tension est généralement indiquée dans la fiche technique. * **Mesure du courant direct (\(I_F\))**: Utiliser un multimètre en mode ampèremètre en série avec la LED et sa résistance. Le courant typique est de 10-20 mA. * **Calcul de la résistance de limitation**: Pour protéger la LED et définir son courant de fonctionnement, une résistance \(R_{lim}\) est nécessaire. Sa valeur se calcule par la loi d'Ohm: \[ R_{lim} = \frac{V_{source} - V_F}{I_F} \] Où \(V_{source}\) est la tension de l'alimentation, \(V_F\) est la tension directe de la LED, et \(I_F\) est le courant direct désiré. #### Le Phototransistor Le phototransistor est un type de transistor qui est sensible à la lumière. Sa jonction collecteur-base est exposée à la lumière, ce qui génère un courant de base proportionnel à l'intensité lumineuse incidente. * **Principe de fonctionnement**: La lumière incidente frappe la jonction base-collecteur, générant des paires électron-trou. Ces électrons agissent comme un courant de base, qui est ensuite amplifié par l'effet transistor, produisant un courant de collecteur (\(I_C\)) amplifié. * **Polarisation**: Il fonctionne de manière similaire à un transistor NPN ou PNP standard, mais le courant de base est contrôlé par la lumière plutôt que par un courant électrique appliqué à la broche de base. * **Mesures Clés**: * **Mesure du courant de collecteur (\(I_C\))**: Placer un ampèremètre en série avec le collecteur du phototransistor et sa résistance de charge. Varier l'intensité lumineuse (par exemple, avec une lampe ou en cachant le capteur) et observer la variation du courant \(I_C\). Le courant augmente avec l'intensité lumineuse. * **Mesure de la tension collecteur-émetteur (\(V_{CE}\))**: Mesurer la tension aux bornes du phototransistor en mode voltmètre. Cette tension variera en fonction de la résistance de charge et du courant \(I_C\). ### Vocabulaire * **Diode Zener**: Diode utilisée comme référence de tension ou régulateur, fonctionnant en claquage inverse. * **Tension Zener (\(V_Z\))**: Tension de claquage inverse d'une diode Zener. * **Diode Électroluminescente (LED)**: Diode qui émet de la lumière lorsqu'elle est polarisée en direct. * **Tension directe (\(V_F\))**: Chute de tension aux bornes d'une LED (ou diode) lorsqu'elle conduit en direct. * **Courant de fuite (\(I_R\))**: Très faible courant qui traverse une diode polarisée en inverse avant le claquage. * **Phototransistor**: Transistor dont le courant de base est généré par l'exposition à la lumière. * **Régulateur de tension**: Circuit ou composant qui maintient une tension de sortie constante malgré les variations de la tension d'entrée ou de la charge. ### Exemples #### Mesure de \(V_Z\) d'une Diode Zener Pour une diode Zener de 5.1V: 1. Montez un circuit avec une alimentation de 12V, une résistance de 470 \( \Omega \) en série, et la diode Zener polarisée en inverse. 2. Connectez un voltmètre en parallèle avec la diode Zener. 3. Mettez sous tension. Le voltmètre devrait afficher une tension proche de 5.1V. Si la tension est inférieure, c'est que le courant traversant la Zener n'est pas suffisant pour la faire fonctionner dans sa région de régulation ou que la Zener est défectueuse. #### Test et Mesure d'une LED Pour une LED rouge (\(V_F \approx 2V\), \(I_F \approx 20mA\)) avec une alimentation de 5V: 1. Calcul de la résistance de limitation: \(R_{lim} = \frac{5V - 2V}{0.02A} = \frac{3V}{0.02A} = 150 \Omega \). 2. Montez le circuit avec la LED et la résistance de 150 \( \Omega \) en série avec l'alimentation 5V. 3. Utilisez un voltmètre pour mesurer \(V_F\) aux bornes de la LED (devrait être proche de 2V). 4. Utilisez un ampèremètre pour mesurer \(I_F\) en série (devrait être proche de 20mA). 5. Si la LED ne s'allume pas ou les mesures sont très différentes, vérifiez la polarité, les connexions et la valeur de la résistance. #### Mesure d'un Phototransistor 1. Montez un phototransistor NPN avec une résistance de collecteur de 1k\( \Omega \) vers le \(V_{CC}\) (par exemple 5V) et l'émetteur à la masse. 2. Connectez un ampèremètre en série avec la résistance de collecteur pour mesurer \(I_C\). 3. Observez \(I_C\) dans l'obscurité (courant de fuite, très faible). 4. Éclairez le phototransistor avec une lampe. Vous devriez voir \(I_C\) augmenter significativement. Plus la lumière est intense, plus \(I_C\) est élevé. ### Exercices 1. Une diode Zener de 9.1V est utilisée pour réguler une tension d'entrée de 15V. Si le courant Zener maximal spécifié est de 100mA et le courant de charge minimum est de 10mA, quelle devrait être la valeur minimale de la résistance de limitation de courant pour assurer la régulation? (On considère que la Zener doit toujours conduire au moins 5mA pour réguler correctement). 2. Vous disposez d'une LED verte avec \(V_F = 2.2V\) et \(I_F = 15mA\). Vous souhaitez l'alimenter avec une pile de 9V. Quelle valeur de résistance de limitation de courant est nécessaire? Si vous utilisez la résistance standard la plus proche (ex: 470 \( \Omega \)), quel sera le courant réel traversant la LED? 3. Décrivez comment vous utiliseriez un multimètre pour vérifier si un phototransistor fonctionne correctement, sans connaître ses spécifications exactes, en utilisant uniquement une source de lumière externe. ### Devoirs 1. Recherchez la différence entre une diode Zener et une diode Transil (TVS - Transient Voltage Suppressor). Quels sont leurs principes d'action et leurs applications principales en matière de protection? 2. Proposez un schéma de circuit simple utilisant une LED et un phototransistor pour créer un système de détection de présence (par exemple, pour un axe de portique ou un détecteur d'objets sur un tapis roulant). Expliquez les composants et leur rôle. 3. Une diode Zener de 6.8V, 0.5W est connectée à une source de 12V via une résistance série \(R_S\). Si la charge connectée tire un courant de 20mA, calculez la valeur maximale de \(R_S\) pour que la diode Zener fonctionne toujours dans sa région de régulation, en considérant un courant Zener minimal de 5mA. Vérifiez que la puissance dissipée par la Zener ne dépasse pas 0.5W. ### Résumé Dans cette quatrième partie, nous avons approfondi nos connaissances sur les mesures de semi-conducteurs spéciaux essentiels dans de nombreux circuits. Nous avons examiné la **diode Zener** comme régulateur de tension et les méthodes pour mesurer sa tension de claquage. La **diode électroluminescente (LED)** a été étudiée pour sa capacité à émettre de la lumière, en soulignant l'importance de la résistance de limitation de courant pour son bon fonctionnement. Enfin, le **phototransistor** a été présenté comme un capteur de lumière, dont le courant de collecteur varie avec l'intensité lumineuse. Maîtriser les techniques de mesure pour ces composants est fondamental pour l'analyse, la conception et le dépannage des systèmes électroniques.