COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES


COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES
COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES

L’électronique se présente comme l’ensemble des sciences et des techniques permettant la réalisation de fonctions multiples utilisées pour traiter, au sens large, une information sous forme électrique (cf. industrie ÉLECTRONIQUE, INFORMATIQUE). Les fonctions principalement rencontrées sont la génération de signaux, l’amplification, la modulation-démodulation, la commutation... Les composants électroniques apparaissent alors naturellement comme les moyens nécessaires à la réalisation des fonctions précitées. Les composants de base sont les tubes électroniques et les dispositifs à semiconducteurs, que l’on regroupe sous l’appellation de composants actifs . Le fonctionnement de tels dispositifs nécessite un apport d’énergie. De plus, ces éléments sont essentiellement non linéaires (c’est-à-dire que les diverses relations tension-courant ne se traduisent pas par des expressions linéaires). Les moyens d’étude du fonctionnement statique (régime continu) font appel à des méthodes graphiques. En revanche, en régime de faible variation, on peut linéariser les caractéristiques graphiques autour d’un point de fonctionnement et définir alors des paramètres dynamiques qui permettent la mise en œuvre des méthodes d’analyse linéaire propres aux circuits électriques [cf. CIRCUITS ÉLECTRIQUES]. Au sein d’un montage électronique, les composants actifs sont associés à des composants passifs , qui ne nécessitent pas de source extérieure de polarisation (mais restituent au plus l’énergie fournie par le signal appliqué). Les composants passifs (résistances, condensateurs, bobines d’auto-induction, transformateurs, connecteurs, circuits imprimés...) apparaissent ainsi comme les compléments indispensables dont l’association permet d’obtenir la fonction électronique recherchée. En ce qui concerne les macrocomposants (amplificateurs opérationnels, circuits intégrés, circuits hybrides...), l’usage est de les regrouper avec les composants actifs. Cependant, leurs spécificités fonctionnelles et techniques autorisent à les présenter séparément.

1. Les composants passifs

Les résistances

Propriétés physiques

La propriété que présente un corps à s’opposer au passage d’un courant électrique s’exprime par sa résistivité , mesurée en ohms-mètres ( 行 . m). Les conducteurs ont une résistivité de l’ordre de quelque 1016 行 . m (le meilleur conducteur est l’argent, dont la résistivité vaut environ 1,5 . 10-8 行 . m à la température ambiante). Quant aux corps dits isolants, leurs résistivités peuvent atteindre 1016 行 . m, la résistivité dépendant linéairement de la température [cf. CONDUCTION DE L'ÉLECTRICITÉ].

La loi d’Ohm, V = R . I , exprime la proportionnalité entre la tension aux bornes du conducteur et le courant qui le traverse. Le coefficient R , appelé résistance du conducteur, s’exprime en ohms ( 行) lorsque le courant est exprimé en ampères (A) et la tension en volts (V). Il dépend de la résistivité et des dimensions géométriques du conducteur. Ainsi, pour un corps à section constante S , de longueur l et de résistivité , on a: R = (l /S ). Les composants qui réalisent des conversions tension-courant ou courant-tension dans les circuits électroniques sont ainsi appelés résistances .

Caractéristiques d’une résistance pure

La résistance nominale (R n) est en général indiquée à l’aide d’un code de couleurs (fig. 1), sauf pour les résistances de puissance, de précision, ou dans le cas de certains modèles spéciaux dont le marquage est effectué en clair.

La tolérance est également indiquée à l’aide d’un anneau de couleur; elle fixe l’écart maximal entre la résistance nominale et la résistance effective du composant. Il existe des séries de valeurs R n normalisées associées à des tolérances données.

Le coefficient de tension détermine la variation de résistance associée à une variation de tension aux bornes du conducteur; ce coefficient est presque toujours négligeable (inférieur à 10-6 行 . V-1, sauf pour les résistances agglomérées, où il peut dépasser 10-4 行 . V-1).

La puissance nominale (P n) correspond à la puissance normale que peut dissiper la résistance à une température donnée (dans des conditions d’aération spécifiées).

La résistance critique (R c) est définie pour un modèle donné de résistance par R c = V l2/P n, où V l correspond à la tension limite d’utilisation au-delà de laquelle le composant serait détruit. Les résistances de valeurs ohmiques inférieures à R c sont limitées en puissance par P n, alors que les autres le sont par la valeur de la tension limite.

La stabilité , enfin, caractérise l’évolution relative R /R , dans le temps, de la résistance effective du composant.

Modélisation d’une résistance réelle

Pour une résistance pure, la loi d’Ohm reste vérifiée en régime quelconque et en particulier en régime sinusoïdal. Les différentes techniques de fabrication créent cependant une capacité et une inductance parasites, dont on rend compte par le modèle représenté par la figure 2. Pour les faibles valeurs de résistance (de l’ordre de la dizaine d’ohms), l’effet inductif est prépondérant par rapport à l’effet capacitif. C’est, en revanche, l’inverse dès que la résistance dépasse le millier d’ohms. Toutefois, ces prépondérances relatives dépendent beaucoup de la fréquence.

Différents types de résistances fixes

Les résistances bobinées (de quelques ohms à quelques milliers d’ohms) sont constituées d’un fil en alliage (nickel-chrome ou cuivre-nickel pour des résistances de haute précision à faible coefficient de température) enroulé sur un support isolant en céramique ou en matière plastique. Pour réaliser des résistances de haute précision, de nombreuses précautions de fabrication doivent être prises: absence de contrainte mécanique sur le fil résistant lors du bobinage, mise en œuvre d’un traitement thermique de stabilisation pouvant durer plusieurs jours... On obtient alors des coefficients de température de l’ordre de 10-6 0C-1 et une stabilité voisine de 10-5 an-1 (soit une variation d’un ohm par an pour une résistance de 100 k 行).

Les résistances à feuilles métalliques (de quelques ohms à quelques millions d’ohms) sont des résistances de haute précision constituées d’une feuille en alliage (le plus souvent de nickel-chrome) fixée sur un substrat isolant choisi pour ses qualités de stabilité et de bonne tenue en température.

Les résistances à couches (de quelques ohms à quelques millions d’ohms) sont composées d’un film résistant déposé sur un substrat. Pour les résistances à couche métallique , l’élément résistant est obtenu par dépôt sous vide d’un alliage sur un substrat en céramique ou en quartz. L’épaisseur de la couche déposée est extrêmement faible (de l’ordre de 0,1 猪m). L’ajustage à la valeur nominale s’effectue par un découpage en hélice pour les supports cylindriques, ou en forme de grecque pour les supports plats. Ce type de résistances présente une très bonne stabilité et un faible coefficient de température. Les résistances à couches de carbone s’obtiennent par pyrolyse en atmosphère contrôlée d’hydrocarbure (méthane, butane ou benzène) et d’argon. Dans des conditions de température et de pression adéquates, le carbone se dépose sur des bâtonnets en résine isolante servant de support. L’ajustage de la résistance s’effectue comme précédemment. Enfin, les résistances à couches épaisses (de valeurs supérieures au mégaohm) sont constituées d’une pâte de verres fusibles et de métaux nobles déposée par sérigraphie sur un support d’alumine, puis cuite à haute température. On obtient ainsi une couche d’une dizaine de micromètres d’épaisseur.

Les résistances agglomérées (de quelques ohms à quelques mégaohms) sont formées d’un mélange homogène de carbone, de matière isolante (silice...) et de liant (bakélite...). Le pourcentage de carbone détermine la valeur de la résistance. Les caractéristiques obtenues sont très moyennes, mais la fiabilité ainsi que le faible coût de ces résistances en font des composants couramment employés dans les montages électroniques.

Les résistances variables

On réalise des résistances variables, appelées potentiomètres , au moyen d’un contact glissant sur l’élément résistant. La loi de variation de la résistance en fonction de la position du curseur est le plus souvent linéaire ou logarithmique. Certains composants sensibles à la température permettent d’obtenir des comportements non linéaires mis à profit dans des circuits de protection, de correction en température... Ces éléments sont connus sous le nom de thermistances . Ils peuvent être à coefficient de température positif (C.T.P.) ou négatif (C.T.N.).

Les condensateurs

Propriétés physiques

Les condensateurs sont constitués de deux armatures conductrices séparées par un diélectrique. Ils permettent d’emmagasiner une certaine quantité d’électricité Q, proportionnelle à la différence de potentiel V appliquée entre les armatures. Ce coefficient de proportionnalité définit la capacité du condensateur: C = Q/V, exprimée en farads (F), lorsque Q est exprimé en coulombs (C) et V en volts (V). La capacité est une caractéristique intrinsèque du composant, qui dépend de ses dimensions et de la nature du diélectrique. Dans le cas d’un condensateur plan, C = ( 﨎S)/e , où e désigne l’espacement des armatures, S leur surface en regard et 﨎 la permittivité absolue du diélectrique (exprimée en farads par mètre). La constante diélectrique de l’isolant (ou permittivité relative) s’exprime par 﨎r = 﨎/ 﨎0, où 﨎0 est la permittivité du vide: 﨎0 = 1/(36 神) 10-9 F . m-1. 林r peut varier de 1 à plus de 10 000.

Caractéristiques d’un condensateur réel

La capacité nominale (Cn ) est indiquée en clair sur le composant, ou à l’aide d’un code de couleurs analogue à celui des résistances.

La tension de claquage est définie par la valeur limite au-delà de laquelle une décharge électrique peut se produire entre les deux armatures, qui met généralement le condensateur hors d’usage (la valeur de cette tension de claquage est de 30 000 V/cm environ dans l’air sec).

La résistance d’isolement (Rp ) traduit l’existence d’un courant de conduction dans le diélectrique et est généralement inversement proportionnelle à la valeur de la capacité (plusieurs milliers de M 行 . 猪F).

La résistance de perte (Rs ) est essentiellement fonction de la résistance des connexions au niveau des armatures.

Comportement en régime variable. Modélisation

Lorsque la tension appliquée aux bornes d’un condensateur parfait varie au cours du temps, la charge varie également selon l’expression: d Q = Cd V. Le condensateur est alors traversé par un courant variable i (t ) qui traduit la variation instantanée de la charge Q(t ) du condensateur:

En régime sinusoïdal de pulsation 諸, on définit une impédance complexe Zc = 1/(j C 諸) à partir de la relation V = Zc I, où V et I représentent respectivement les grandeurs complexes correspondant à v( 諸t ) et i ( 諸t ). La tension est donc en quadrature retard par rapport au courant. Ainsi, un condensateur parfait tend à se comporter comme un court-circuit en haute fréquence, alors qu’il est équivalent à un circuit ouvert en continu. Un condensateur réel peut être modélisé par le schéma de la figure 3, où les éléments LS et RS dépendent de la technique de fabrication adoptée. On définit alors deux nouvelles caractéristiques fondamentales:

– l’angle de perte ( 嗀) est le complément à 900 du déphasage réel entre la tension et le courant (tg 嗀 = RS . C 諸); l’angle de perte varie de 10-2 à 10-5 selon la qualité du condensateur;

– la fréquence de résonance série ( 諸s ) est définie par LSC 諸2s = 1; au-delà de cette valeur, le condensateur présente une impédance inductive; il s’agit donc d’une limitation stricte en fréquence.

Différents types de condensateurs fixes

Les condensateurs enroulés sont réalisés par bobinage de deux feuilles métalliques servant d’armatures et séparées par une ou plusieurs couches d’isolants. Les armatures peuvent être également constituées par un dépôt métallique sur un film isolant. On distingue deux techniques différentes:

– dans les condensateurs à prises , de petites languettes conductrices sont interposées lors du bobinage;

– dans les condensateurs à armatures débordantes , ces dernières sont noyées en fin de réalisation avec les connexions par projection de métal en fusion (cette dernière opération augmente en général les pertes ohmiques). Enroulés initialement sur un support cylindrique, ces deux types de condensateurs peuvent être ensuite aplatis avant d’être protégés.

Les condensateurs empilés se présentent comme une superposition de plusieurs couches d’isolants et de feuilles conductrices.

Enroulés ou empilés, ces condensateurs utilisent plusieurs types de diélectriques, dont les plus courants sont le papier et les diélectriques de synthèse. Le papier (de 5 à 100 猪m d’épaisseur) imprégné d’un diélectrique à haute permittivité (cire minérale, huile minérale ou de synthèse) permet d’obtenir des capacités de 1 mF à 100 猪F environ. Encombrants et de coût assez élevé, les condensateurs au papier ne sont plus guère utilisés. Les diélectriques de synthèse (polytéréphtalate d’éthylène, ou Mylar, polycarbonate, polystyrène, polytétrafluoréthylène, ou Téflon, etc.) permettent d’obtenir des capacités de quelques dizaines de picofarads à une centaine de microfarads. Moins chers et moins encombrants que les précédents, leur tolérance est meilleure et leur résistance d’isolement est plus élevée.

Les condensateurs au mica (roche principalement composée de silicates d’aluminium, de potassium, de magnésium, etc., et présentant une constante diélectrique qui varie de deux à sept environ) sont stables et leurs pertes diélectriques sont faibles. Bien qu’assez volumineux, ils restent largement utilisés dans les circuits de faible puissance, notamment dans les circuits d’accord.

Les condensateurs électrolytiques comportent une mince couche (une fraction de micromètre) d’oxyde métallique qui constitue le diélectrique. Ils permettent de réaliser des capacités de fortes valeurs sous des volumes réduits. L’une des électrodes est formée par le métal alors que l’autre est constituée d’un électrolyte liquide, solide ou en gel. Ces condensateurs sont donc en général polarisés: ils comportent une anode et une cathode. On rencontre principalement des anodes à l’aluminium (condensateurs de 1 猪F à 10 mF environ qui peuvent supporter de fortes tensions – supérieures à 100 V) et des anodes au tantale (capacités de 10 nF à 1 mF environ).

Les condensateurs à diélectrique céramique (produit industriel élaboré à partir d’une pâte homogène comprenant principalement des matières premières minérales que l’on cuit à haute température) se répartissent en deux groupes principaux: ceux du type I sont précis, stables et présentent de faibles pertes en haute fréquence, leur constante diélectrique varie de 10 à 200 environ; ceux du type II permettent d’obtenir des constantes diélectriques très élevées (supérieures à 10 000), au prix d’une moindre stabilité et de pertes plus importantes. Leur volume réduit et leur coût modique en font des condensateurs d’usage courant (capacités de liaison ou de découplage...). On les trouve sous forme de tube, de disque ou de plaquette et également, bien sûr, sous forme empilée.

Les condensateurs «chips» (mot anglais signifiant copeau, fragment, éclat...) se présentent nus (sans enrobage ni connexion), de manière à minimiser les éléments parasites et à réduire le volume pour des utilisations en microélectronique ou dans des circuits à des fréquences très élevées [cf. MICROÉLECTRONIQUE].

Les condensateurs variables

On réalise des condensateurs variables par variation mécanique des surfaces d’armatures en regard. Ils sont principalement employés dans les circuits d’accord en fréquence. Il existe également des diodes à capacité variable qui permettent une commande et un contrôle électronique de l’accord.

Fonctions électroniques assurées par les condensateurs

Les condensateurs permettent de stocker de l’énergie sous forme électrostatique (W = (1/2) CV2). Ils servent aussi à assurer des fonctions de liaison ou de découplage entre montages ou éléments de montage, permettant ainsi de rendre les actions des sources de polarisation indépendantes de celles des sources de signaux utiles. Les autres fonctions principales sont celles de filtrage et d’accord, où l’on met à profit la dépendance fréquentielle traduite par l’impédance complexe Z(j 諸) = 1/(j C 諸). Selon le domaine d’application et la fonction assurée, le choix du condensateur sera dicté par des considérations d’ordre économique (coût, disponibilité...) et technique (performances, encombrement...).

Les bobines d’auto-induction

Propriétés physiques

Lorsqu’un courant circule dans un conducteur en forme de spire, il crée un champ magnétique proportionnel à l’intensité de ce courant, et le flux 﨏 à travers la surface définie par la spire s’exprime par la relation: 﨏 = LI . L définit le coefficient d’auto-induction ou d’induction propre, communément appelé inductance. Il s’exprime en henrys (H) lorsque 﨏 est exprimé en webers (Wb) et I en ampères (A). Ce coefficient dépend de la géométrie de la spire ainsi que du support sur lequel le conducteur est bobiné. Ainsi, dans le cas d’un solénoïde de longueur l constitué de n spires isolées entre elles: L = (n 2/l ) 猪S, où S est la section du solénoïde et 猪 la perméabilité magnétique absolue du matériau. Comme pour les diélectriques, on définit une constante magnétique 猪r (ou perméabilité relative) qui s’exprime par le rapport entre la perméabilité absolue du matériau et celle du vide, 猪0 = 4 神 . 10-7 H . m-1. Elle vaut 1 pour les matériaux non ferromagnétiques, environ 2 500 pour le fer, et peut atteindre 250 000 pour un alliage de nickel.

Comportement en régime variable. Modélisation d’une bobine réelle

Lorsque le courant qui traverse la bobine varie au cours du temps, le flux d’induction varie également, selon l’expression: d 﨏 = Ld I. Il apparaît alors une force contre-électromotrice induite qui tend à s’opposer à la variation du courant (loi de Lenz): e (t ) = 漣 L (d I(t ))/(dt ). En régime sinusoïdal de pulsation 諸, la tension aux bornes de la bobine s’exprime par V = j L 諸I, où Z = j L 諸 représente l’impédance complexe de la bobine. La tension est alors en quadrature avance par rapport au courant. Ainsi, une inductance idéale tend à se comporter comme un circuit ouvert en haute fréquence, alors qu’elle équivaut à un court-circuit en régime continu. Une inductance réelle peut être modélisée par le schéma de la figure 4 a, où les pertes moyennes par courants de Foucault et par phénomène d’hystérésis dans le matériau magnétique sont représentées par RS ou RP. De plus, la création d’un champ électrique dans les isolants provoque des pertes diélectriques exprimées par Rd , ainsi qu’une capacité Cd en parallèle sur l’inductance. Enfin, la conductivité non infinie du fil introduit des pertes ohmiques RJ. Si l’on suppose tout d’abord Rd et Cd faibles (fig. 4 b et 4 c), on définit une caractéristique fondamentale, le coefficient de qualité QL, comme le rapport de la puissance réactive dans la bobine à la puissance dissipée par effet Joule: QL = (LS 諸)/RS = RP/(LP 諸). Lorsque les pertes sont faibles, LP et LS sont peu différents. Si l’on suppose de plus que la capacité Cd ne peut pas être négligée, il apparaît une fréquence de résonance 0 telle que Ls Cd02 = 1 (si QL est grand, c’est-à-dire si Rs est faible). Lorsque 諸 devient supérieur à 諸0, la bobine se comporte comme une capacité. Il s’agit là encore d’une limitation stricte en fréquence.

Réalisation des inductances

Les inductances se présentent principalement sous la forme de nids d’abeilles réalisés par le va-et-vient latéral du fil lors du bobinage (utilisation jusqu’à quelques mégahertz), ou sous la forme de solénoïdes réalisés sur des supports isolants (Bakélite, Téflon...) cylindriques ou toriques, à l’intérieur desquels on peut introduire des noyaux métalliques (alliages ferromagnétiques) ou des noyaux de ferrite [cf. FERRITES ET GRENATS] dont la perméabilité relative peut atteindre 10 000. Les ferrites présentent des pertes beaucoup plus faibles, et permettent une utilisation jusqu’à des fréquences supérieures à 100 MHz. Les inductances à air suppriment les pertes qui apparaissent dans le noyau, mais offrent, à bobinage comparable, une valeur d’auto-inductance beaucoup plus faible.

Les bobines ajustables

Pour les inductances à air, il est possible, à l’aide d’un contact glissant, de court-circuiter un certain nombre de spires. Dans le cas des inductances à noyau plongeur, il suffit d’en régler l’enfoncement pour ajuster la valeur de l’inductance.

Fonctions électroniques assurées par les bobines

Les bobines servent essentiellement dans les circuits d’accord ou de filtrage pour assurer un découplage continu-alternatif par bobine dite d’arrêt (impédance quasi nulle en continu et très forte, par rapport aux autres éléments du montage, à la pulsation de travail).

Les transformateurs

Le transformateur assure en électronique une fonction de liaison entre deux étages successifs et/ou d’adaptation d’impédances. Il se compose principalement de deux bobines fortement couplées par induction mutuelle. Ce couplage serré s’obtient en utilisant un circuit magnétique à forte perméabilité, c’est-à-dire en réalisant les bobines par des enroulements effectués sur un même noyau ferromagnétique. Si l’on suppose que toutes les spires ont la même surface et sont traversées par un même flux, on montre que le rapport des tensions secondaire et primaire est égal à celui des nombres de spires secondaire et primaire: Us /Up = Ns /Np = n , où n est appelé le rapport de transformation . Si, de plus, le transformateur est sans perte (ou à très faible perte), il permet d’effectuer des transformations d’impédances dans le rapport n 2.

En pratique, un certain nombre d’imperfections existent: fuites magnétiques, pertes par effet Joule dans les conducteurs, pertes par hystérésis et courants de Foucault dans le matériau ferromagnétique, phénomènes de couplage capacitif entre le primaire et le secondaire...

2. Les composants actifs

Les tubes électroniques

À la base du développement prodigieux de l’électronique depuis le début du XXe siècle, les tubes [cf. TUBES ÉLECTRONIQUES] sont progressivement remplacés depuis l’avènement des transistors, en 1948, par des dispositifs à semiconducteurs. On ne les trouve pratiquement plus que dans le domaine des hautes fréquences et des fortes puissances – tubes d’émission de type tétrode par exemple –, dans celui, plus spécifique, des hyperfréquences – klystron et tube à onde progressive... [cf. HYPERFRÉQUENCES] – et surtout dans celui des tubes à image, dont le plus célèbre est le tube à rayons cathodiques – écrans d’oscilloscope et de télévision. Toutefois, d’intenses recherches sont menées dans le domaine des écrans plats; deux nouvelles techniques de visualisation se sont développées: celle des cristaux liquides [cf. CRISTAUX LIQUIDES] qui a débouché en France sur la mise au point par les Télécommunications d’un écran de type Minitel; celle qui est fondée sur l’électroluminescence d’un sulfure de zinc dopé permet une meilleure luminance et une meilleure définition, tout en permettant plusieurs teintes de gris, et même la couleur [cf. TÉLÉVISION]. Pour les analyseurs d’image, les tubes de type Vidicon allient la technique du tube à celle de l’état solide, et permettent actuellement d’obtenir une définition supérieure à celle qui est permise par les dispositifs à l’état solide en cours d’étude.

Propriétés des semiconducteurs

Les semiconducteurs sont des éléments tétravalents qui cristallisent en un système cubique. Chaque atome possède donc quatre électrons sur sa couche électronique externe. Au zéro absolu, tous ces électrons participent à des liaisons de covalence avec les électrons correspondants des atomes voisins et le semiconducteur est isolant. Lorsque la température augmente, l’agitation thermique qui en résulte confère à certains électrons une énergie suffisante pour qu’ils s’arrachent aux atomes. Ils deviennent des électrons libres susceptibles de se déplacer sous l’action d’un champ électrique appliqué. Les électrons ainsi libérés laissent apparaître des lacunes ou trous de charge positive, opposée à celle de l’électron. Les trous vont pouvoir se déplacer de proche en proche dans le sens du champ électrique. Dans un semiconducteur pur ou intrinsèque il y a autant d’électrons libres (porteurs négatifs) que de trous (porteurs positifs) et leur nombre est directement lié à l’apport d’énergie dû à l’élévation de température. Ainsi, contrairement aux conducteurs métalliques, la résistivité du cristal décroît lorsque la température augmente. À température ambiante, cette résistivité est comprise entre celle des conducteurs (quelque 10-8 行 . m) et celle des isolants (de 106 à 1016 行 . m): c’est à cette particularité que ces éléments doivent d’ailleurs leur nom. Dans un semiconducteur extrinsèque , l’adjonction d’impuretés ou dopants augmente le nombre de l’un des deux types de porteurs. Si l’on dope le cristal par un corps pentavalent (antimoine, phosphore, arsenic), il y a un électron libre excédentaire par atome d’impuretés introduites, et création de porteurs négatifs, sans que le nombre de porteurs positifs augmente. Les électrons constituent les porteurs majoritaires, et les trous les porteurs minoritaires. Un tel semiconducteur est dit de type N. Si, au contraire, on dope le cristal pur par un corps trivalent (bore, gallium, indium), il y a création de trous supplémentaires, sans apparition d’électrons libres. Les trous constituent cette fois les porteurs majoritaires et le semiconducteur ainsi réalisé est dit de type P.

Les diodes à semiconducteurs

La jonction P-N

Si l’on met en contact intime un semiconducteur de type P et un semiconducteur de type N, les électrons libres de la zone N ont tendance à diffuser vers la zone P, et les trous de la zone P vers la zone N. Au voisinage de la jonction, la neutralité électrique n’est plus respectée. À l’état d’équilibre final, il apparaît du côté P une zone chargée négativement et du côté N une zone chargée positivement, qui forment une barrière de potentiel. Il existe en conséquence un champ électrique interne constant dirigé de la zone N vers la zone P. Le nombre de porteurs résiduels au voisinage immédiat de la jonction est très réduit, cette zone de charge d’espace est dite zone de déplétion.

La jonction P-N est polarisée en inverse lorsque l’on applique le pôle positif d’un générateur à la zone N et le pôle négatif à la zone P; le champ électrique extérieur vient alors renforcer l’action du champ interne, et la densité de porteurs au voisinage immédiat de la jonction diminue encore. Il existe cependant un très faible courant dû aux porteurs minoritaires. Ce courant inverse est pratiquement indépendant de la tension appliquée, il ne dépend que des concentrations des porteurs dans les deux régions.

La jonction P-N est polarisée en direct lorsqu’on inverse la polarité du générateur: le champ électrique externe est désormais opposé au champ électrique interne, et, au-delà d’une valeur de seuil, le courant croît très vite quand la tension augmente. La jonction P-N présente ainsi un comportement unidirectionnel analogue à celui de la diode (tube à vide à deux électrodes), dont elle a conservé le nom (on parle alors de diode à jonction par opposition à diode à vide).

La physique du solide montre qu’une telle structure possède une caractéristique courant-tension qui satisfait à l’équation:

où V est la tension appliquée à la jonction, k la constante de Boltzmann (1,38 憐 10-23 J . K-1 ou 86 eV), q la charge de l’électron (1,6 憐 10-19 C), T la température absolue, un coefficient qui varie de 1 à 2 selon la valeur du courant (il est généralement voisin de 1 pour les diodes de faible puissance), et Is le courant de saturation, proportionnel à 3exp(W/(k T)), W représentant l’énergie d’activation dans le matériau considéré (0,72 eV pour le germanium; 1,1 eV pour le silicium et 1,35 eV pour l’arséniure de gallium). Le courant de saturation double ainsi tous les 9 0C environ dans le cas du silicium.

À 300 K, (k T)/q est de l’ordre de 26 mV et, pour une tension directe supérieure à une centaine de millivolts: I 年 Is exp(V/(26mV)).

Cette équation n’est valable que si la tension inverse reste inférieure à une valeur limite VRM prévue par le constructeur. Au-delà, la forte intensité du champ électrique interne sépare des paires électrons-trous; les électrons ainsi libérés sont accélérés et vont créer de nouvelles ionisations par choc: il y a effet d’avalanche, et le courant inverse croît extrêmement vite; la jonction est en général détruite par effet thermique (fig. 5 a). Dans un certain nombre d’applications, il est commode de représenter la caractéristique réelle de la diode par le modèle approché présenté à la figure 5 b. Pour une tension appliquée V supérieure à la tension de seuil Vd , la diode est équivalente à une résistance Rd en série avec un générateur de force contre-électromotrice Vd . En revanche, si V est inférieure à Vd , la diode peut être considérée comme un circuit ouvert. Dans le cas où Vd et Rd peuvent être négligées, on obtient la modélisation de la diode idéale que l’on peut assimiler à un interrupteur parfait, fermé si V est positif et ouvert si V est négatif (fig. 5 c).

La caractéristique particulière de la diode à jonction permet son utilisation dans de nombreux circuits de redressement, de détection, d’échantillonnage et de génération de fonctions. Ainsi, les circuits redresseurs permettent de passer d’une tension alternative d’entrée Ve à une tension de sortie Vs de valeur moyenne non nulle. Le circuit de base, comportant une seule diode, effectue un redressement simple alternance alors que le circuit à pont de diodes permet un redressement double alternance. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de filtrer cette composante redressée; on peut faire une détection crête en plaçant un condensateur de forte capacité en parallèle sur la résistance de charge. Par un choix correct de la constante RC du circuit de filtrage, on peut également effectuer la détection d’enveloppe d’un signal modulé en amplitude. On réalise alors la fonction démodulation d’amplitude.

Les diodes Zener

Les diodes Zener ont été spécialement conçues pour fonctionner en polarisation inverse. Si l’on augmente la tension inverse d’une diode à jonction P-N, deux phénomènes peuvent se produire. D’une part, à partir d’une tension dite tension Zener, le champ interne devient suffisamment intense pour que des liaisons de covalence se rompent. Les porteurs ainsi générés sont assez nombreux pour que le courant augmente brutalement, et pour que la tension aux bornes du composant soit pratiquement indépendante de ce courant. D’autre part, indépendamment de cet effet Zener, il est possible que, sous l’action du champ électrique, les porteurs minoritaires de la zone de déplétion acquièrent une énergie telle qu’il puisse y avoir ionisation par choc. C’est l’effet d’avalanche déjà mentionné: le courant n’est alors limité que par le circuit extérieur, et, si la jonction n’est pas détruite par effet thermique, ce phénomène est également réversible.

En pratique, les diodes dont la tension Zener Vz est inférieure à 5 V possèdent une zone de déplétion très mince qui ne permet pas aux porteurs d’acquérir l’énergie nécessaire au déclenchement de l’effet d’avalanche. Seul l’effet Zener est à considérer, et la caractéristique obtenue est très abrupte (fig. 6). Ces diodes régulatrices sont largement utilisées comme sources de tension de référence. Pour les tensions Zener comprises entre 5 V et 10 V, il y a combinaison des deux effets, et, au-delà, seul l’effet d’avalanche subsiste, mais il présente une caractéristique moins franche.

Les diodes tunnel

Le fonctionnement de la diode tunnel a été découvert en 1958 par Leo Esaki. Elle est constituée d’une jonction P-N obtenue à partir de semiconducteurs fortement dopés (jonction P+-+). La mécanique quantique montre qu’un courant d’électrons peut alors s’établir par effet tunnel malgré la barrière de potentiel de la jonction. De manière imagée, on peut dire qu’une telle diode se trouve en régime de claquage inverse pour une faible tension directe. Il lui correspond une caractéristique courant-tension particulière (fig. 7) où apparaissent en régime de polarisation directe deux points remarquables: le «pic» et la «vallée». Au-delà de la tension de vallée, l’effet tunnel a complètement disparu et la diode se comporte comme une jonction ordinaire.

L’originalité de cette caractéristique est de présenter une zone à conductance dynamique g d = (d I)/(d V) négative. Le rapport Ip /Iv, qui mesure l’étendue relative de cette zone, varie de 4 à 20 selon les différents types de diodes. La rapidité de l’effet tunnel (de l’ordre de la picoseconde) permet l’emploi de ces diodes dans les circuits de commutation rapide. L’exploitation de la zone à conductance négative permet la génération d’oscillations à haute fréquence.

Considérées comme éléments bistables, ces diodes ont également été utilisées comme mémoire. La figure 8 a présente un schéma équivalent de la diode seule (c’est-à-dire la pastille semiconductrice) dans sa zone à résistance négative: Cd représente la capacité de la jonction et Rs la résistance du substrat. Lorsque la diode est montée dans un boîtier, il faut introduire au niveau du schéma équivalent les éléments parasites constitués de la résistance et de l’inductance des connexions ainsi que de la capacité du boîtier (fig. 8 b). Ces éléments fixent les fréquences limites d’utilisation de la diode. Les diodes tunnel sont de plus en plus concurrencées aussi bien en commutation (autres diodes rapides, diodes Shockley, circuits intégrés ECL...) qu’en oscillation haute fréquence (diode à effet Gunn...).

Les diodes à capacité variable (ou varactors)

Lorsqu’une diode P-N est polarisée en inverse, elle présente au voisinage de sa jonction une zone de charge d’espace dont l’épaisseur dépend de la tension appliquée VR. La diode se comporte alors comme une capacité variable en fonction de VR. Pour une jonction abrupte (c’est-à-dire pour une zone de charge d’espace extrêmement mince), la dépendance de cette capacité est approximativement en 1/ 連VR. Il est ainsi possible de réaliser des fonctions d’accord électronique de fréquence (oscillateur ou filtre accordables). La non-linéarité de ce composant permet également son utilisation dans les circuits multiplicateurs de fréquence à rang peu élevé (quelques unités).

Les diodes PIN

Une diode PIN comprend un semiconducteur intrinsèque (ou très peu dopé) entre deux régions fortement dopées P+ et +. La largeur d de la zone intrinsèque varie habituellement entre 10 猪m et 100 猪m. En polarisation inverse, la diode se comporte comme un condensateur de capacité sensiblement constante C = ( 﨎S)/d , où S représente la surface commune de contact entre les zones et 﨎 la permittivité diélectrique du matériau semiconducteur intrinsèque. En polarisation directe, il y a injection de porteurs minoritaires par chacune des deux jonctions, d’où création d’un courant direct IF. La diode se comporte alors comme une résistance variable de la forme k /IF, qui peut atteindre de très faibles valeurs (de l’ordre de 1 行 pour d = 50 猪m et Id = 100 mA).

La diode PIN trouve ses applications comme atténuateur variable et comme interrupteur de puissance dans les circuits hyperfréquences.

Les diodes à temps de recouvrement inverse (diodes snap-off)

La diode à temps de recouvrement inverse est une diode PIN dont la zone intrinsèque est très mince (de l’ordre du micromètre). Les charges stockées pendant la conduction directe (IF) sont évacuées en un temps t rr, dit temps de recouvrement inverse, variant comme Log(1 + (IF/IR)), où IR désigne le courant inverse imposé par le circuit d’utilisation. Ce courant présente la particularité de s’annuler très rapidement lorsque la charge stockée disparaît. Le temps t f qui correspond au passage de 0,9 IR à 0,1 IR est appelé temps de snap-off, et sa valeur est couramment de l’ordre de la dizaine de picosecondes (fig. 9 a). Ces temps peuvent être aisément mesurés en effectuant un redressement simple alternance d’une tension sinusoïdale à haute fréquence (fig. 9 b).

La diode snap-off est essentiellement utilisée pour améliorer le temps de montée de signaux ou pour réaliser des générateurs d’harmonique de rang très élevé (plusieurs dizaines).

Les diodes MN

Une diode MN est constituée d’un contact métal-semiconducteur (en général du silicium dopé N, car les électrons ont une meilleure mobilité que les trous). On choisit un métal (aluminium, or, platine ou chrome) dont le potentiel de contact est supérieur à celui du semiconducteur, de manière à ce que les électrons diffusent du semiconducteur vers le métal. À l’équilibre, il y a création d’une zone de charge d’espace qui provoque l’apparition d’un champ interne, donc d’une barrière de potentiel. En polarisation directe, on trouve une expression du courant analogue à celle de la diode P-N et, en régime de petits signaux, la diode se comporte comme une résistance variable.

En polarisation inverse, la zone de charge d’espace constitue un diélectrique limité d’une part par le métal et, d’autre part, par une zone à forte concentration de porteurs, donc très conductrice; la diode équivaut à un condensateur variable en fonction de la tension appliquée (utilisation en varactor). Les diodes MN furent longtemps réalisées sous la forme d’une fine pointe métallique (tungstène, molybdène, or) fixée par microsoudure électrique sur le cristal semiconducteur. La faible capacité (de l’ordre du dixième de picofarad) de la jonction ainsi obtenue permettait de les utiliser comme diodes de détection en haute fréquence. Les diodes Schottky, qui constituent la version actuelle de la diode MN, sont réalisées par évaporation ou pulvérisation cathodique de métal sur le semiconducteur. Ne faisant intervenir que les porteurs majoritaires, ces diodes ne sont pas limitées par les phénomènes de stockage de charge et de capacité de diffusion propres aux dispositifs à porteurs minoritaires: ce sont donc des diodes rapides, fréquemment utilisées en commutation. On les emploie également beaucoup dans les circuits de mélange et de détection en très haute fréquence et en micro-ondes (on emploie alors des diodes Schottky à l’arséniure de gallium).

Les diodes à effet de volume

Lorsqu’un semiconducteur est soumis à un champ électrique très élevé, il se produit des effets de volume qui affectent la distribution en énergie des électrons libres et qui peuvent créer des instabilités caractérisées par l’apparition d’oscillations hyperfréquences. Les effets de résistance négative qui se produisent ainsi sont intéressants, car ils sont susceptibles de fournir des puissances assez élevées.

La diode à avalanche utilise l’effet d’avalanche obtenu en polarisation inverse, qui résulte de l’ionisation cumulative du réseau. Il se produit alors un phénomène extrêmement rapide et important de croissance du courant. Dans ces conditions, on constate que toute diode a tendance à osciller sur certaines fréquences très élevées. Pour que ces oscillations soient exploitables, il est nécessaire que la diode ait une structure particulière, qui est précisément celle des diodes dites à avalanche: c’est en 1965 qu’on vit l’apparition des premières diodes à avalanche au silicium.

La zone d’avalanche injecte des porteurs dans une zone d’interaction appelée zone de transit. Pour un temps de transit convenablement choisi et lorsque la tension appliquée à la zone d’avalanche varie de part et d’autre d’une valeur de seuil, il est possible d’obtenir un courant induit dans le circuit extérieur en opposition de phase avec la tension appliquée, d’où un effet global de résistance négative. À l’heure actuelle, il existe deux types de diode à avalanche: la diode au silicium et, surtout, la diode à arséniure de gallium.

La diode à effet Gunn (ou diode à transfert d’électrons) est constituée d’un matériau semiconducteur dopé N, tels l’arséniure de gallium, le phosphure d’indium, ou encore le tellure de cadmium.

Les phénomènes qui s’y manifestent (et dont la mise en évidence expérimentale fut réalisée par J. B. Gunn dès 1963 pour une diode à arséniure de gallium) sont assez complexes: ils se produisent pour des tensions de polarisation convenables, et sont liés au transfert électronique entre les différentes vallées de la bande de conduction. Ils s’accompagnent de la propagation de domaines de champ électrique intense séparant des régions de champ faible: le matériau présente, dans ces conditions, des effets de résistance négative. Ce type de diode est essentiellement utilisé en oscillation, car la puissance qu’il permet d’obtenir est très supérieure à celle que l’on peut attendre d’un transistor. On réalise couramment des oscillateurs dans la gamme 5-20 GHz, dont l’accord s’effectue au moyen d’une cavité hyperfréquence associée.

Les transistors et les thyristors

Les transistors et les thyristors sont des dispositifs semiconducteurs constitués respectivement de trois et quatre zones dopées alternativement P et N, qui constituent ainsi deux ou trois jonctions. Leur importance dans le domaine de l’électronique est devenue telle qu’un article leur est entièrement consacré [cf. TRANSISTORS ET THYRISTORS].

3. L’assemblage des composants

Les circuits imprimés

Pendant longtemps, la fabrication des circuits électroniques a utilisé des composants discrets, actifs (tubes à vide, transistors) et passifs, fixés sur un support et reliés par des fils de connexion (câblage). Puis un progrès survint avec la technique du circuit imprimé, où une carte en matériau isolant (bakélite, verre époxy...) recouvert d’un dépôt métallique (cuivre) est convenablement traitée, de manière à ne laisser subsister que le dessin des connexions du câblage (photogravure). Si les deux faces sont recouvertes de cuivre, des trous métallisés permettent d’établir des connexions entre elles (fig. 10). Ainsi, la fixation mécanique des composants est assurée, la géométrie du câblage est rigoureusement définie et la fabrication automatisée.

Un progrès supplémentaire fut réalisé avec les circuits imprimés à plus de deux couches (circuits imprimés multicouches avec trous métallisés pour les connexions entre conducteurs de couches différentes).

Les circuits intégrés et les circuits hybrides

Afin d’augmenter la densité d’implantation des composants et la fiabilité des connexions (très dépendante de la qualité des soudures), d’autres procédés de fabrication ont été développés à partir des années soixante. Ce sont: les circuits intégrés monolithiques, les circuits hybrides dits à «couches minces» et les circuits hybrides dits à «couches épaisses»

Les circuits intégrés monolithiques réunissent, sur la même pastille de silicium, des éléments actifs et des éléments passifs interconnectés, de telle manière qu’ils réalisent une fonction logique ou analogique. Ces circuits se présentent sous la forme de pastilles protégées par une «passivation» ou englobées dans un boîtier. La pastille comporte des bornes (et le boîtier des broches) nécessaires aux connexions. On relie entre eux les circuits intégrés à l’aide d’un câblage réalisé en circuit imprimé, afin d’obtenir une fonction complexe ou un système. La figure 11 montre un schéma électronique, et sa réalisation sous forme de circuit intégré.

Les réalisations en couches minces ou épaisses s’inspirent de celles des circuits imprimés, mais elles sont obtenues d’une façon différente: sur un substrat isolant (verre ou céramique), les connexions et certains éléments passifs (résistances, capacités) sont réalisés soit par dépôt sérigraphique (pour les couches épaisses de 25 à 40 猪m), soit par évaporation sous vide (pour les couches minces d’1 猪m d’épaisseur environ); les composants actifs (transistors, diodes, pastilles de circuits intégrés passivées mais sans boîtier) sont ensuite soudés sur les connexions. Cette technique d’assemblage porte le nom de «micropackaging». L’outillage nécessaire pour réaliser, manipuler et souder les éléments est très précis et complexe.

Les progrès rapides obtenus tant au niveau des performances des composants discrets qu’au niveau de la densité d’intégration (50 000 transistors par boîtier) permettent de réaliser, sous faible volume et à faible coût, des fonctions électroniques de plus en plus complexes. Un exemple frappant nous en est donné dans le domaine de l’informatique, où la fabrication en un seul boîtier de véritables ordinateurs miniatures (microprocesseurs) a transformé profondément les systèmes électroniques. Le développement fantastique de la micro-informatique nous place dès aujourd’hui à l’aube de l’ère scientifique, où nombre de rapports entre l’homme et la machine sont à modifier, voire à inventer.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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