Exercices Corrigés semi-conducteurs Électromécanique des Systèmes Automatisées-ESA-OFPPT-PDF
Exercices Corrigés semi-conducteurs
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Les semi-conducteurs sont à la base de nombreux composants électroniques tels que les diodes et les transistors. Leur étude permet de comprendre le fonctionnement des circuits électroniques utilisés dans les systèmes électriques et automatisés.
Cette page regroupe 16 exercices permettant de mettre en pratique les principales notions relatives aux semi-conducteurs.
Conducteurs, isolants et semi-conducteurs
Un matériau conducteur permet facilement le passage du courant électrique, tandis qu'un isolant présente une résistance très élevée au passage du courant.
Les semi-conducteurs possèdent des propriétés intermédiaires.
Parmi les matériaux semi-conducteurs les plus utilisés, on trouve notamment :
le silicium (Si)
le germanium (Ge)
Leurs propriétés électriques peuvent être modifiées par l'ajout contrôlé d'impuretés : c'est le dopage.
Semi-conducteur de type N et de type P
Le dopage permet notamment d'obtenir deux types de matériaux.
Type N : les électrons sont les porteurs majoritaires.
Type P : les trous sont les porteurs majoritaires.
L'association d'une zone P et d'une zone N permet de former une jonction PN, principe de base de la diode.
La diode
Une diode possède deux bornes :
Anode (A) et Cathode (K).
Dans son fonctionnement usuel, elle laisse principalement circuler le courant dans un sens et le bloque dans l'autre.
Polarisation directe
Lorsque la diode est polarisée dans le sens direct et que les conditions de conduction sont réunies, elle devient conductrice.
Pour une diode au silicium, on utilise souvent dans les exercices un modèle simplifié avec une chute de tension d'environ :
VD ≈ 0,7 V
Cette valeur est une approximation et dépend du composant et de ses conditions de fonctionnement.
Polarisation inverse
En polarisation inverse, la diode est normalement considérée comme bloquée dans les exercices élémentaires, tant que sa tension inverse admissible n'est pas dépassée.
Exemple avec une diode
Considérons une alimentation de 10 V, une diode au silicium modélisée avec une chute de 0,7 V et une résistance de 1 kΩ en série.
La tension aux bornes de la résistance est approximativement :
UR = 10 - 0,7 = 9,3 V
Le courant vaut donc :
I = UR / R
I = 9,3 / 1000
I = 9,3 mA
Cet exemple montre l'importance d'identifier d'abord l'état passant ou bloqué de la diode avant d'effectuer les calculs.
Redressement
Les diodes sont notamment utilisées pour réaliser des circuits de redressement.
Un redressement simple alternance utilise la conduction pendant une partie du signal alternatif.
Un pont de diodes permet d'obtenir un redressement double alternance.
Ces circuits constituent une étape importante dans certaines alimentations AC/DC.
Diode Zener
La diode Zener est conçue pour fonctionner dans une zone de claquage inverse contrôlée.
Elle est notamment utilisée dans des circuits simples de stabilisation ou de référence de tension.
Dans un exercice, il faut vérifier que le courant dans la diode reste compatible avec les conditions imposées par le circuit et les caractéristiques du composant.
Le transistor bipolaire
Un transistor bipolaire possède trois bornes :
Base (B)
Collecteur (C)
Émetteur (E)
On distingue principalement les transistors NPN et PNP.
Pour un transistor bipolaire fonctionnant dans sa zone active, un modèle simplifié souvent utilisé dans les exercices est :
IC ≈ β × IB
avec :
- IC : courant de collecteur ;
- IB : courant de base ;
- β : gain en courant du transistor.
Si :
IB = 20 µA
et :
β = 100
alors, dans le cadre de ce modèle et si le circuit permet le fonctionnement en zone active :
IC ≈ 100 × 20 µA = 2 mA
Il faut toutefois vérifier le reste du circuit pour déterminer le régime réel du transistor.
Transistor utilisé comme interrupteur
Dans de nombreux circuits de commande, le transistor peut être utilisé comme un interrupteur électronique.
On étudie alors principalement deux états :
Blocage : le transistor ne conduit pratiquement pas.
Saturation : le transistor est commandé pour assurer la conduction dans le circuit de charge.
Cette utilisation permet notamment de commander une charge à partir d'un signal de faible puissance.
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