Fondamentaux essentiels des dispositifs semi-conducteurs : 6 concepts clés à maîtriser

Dispositifs semi-conducteurs – Diodes

Une diode est la forme la plus simple de dispositifs semi-conducteurs consistant en deux pièces de matériaux semi-conducteurs différents appelés P et N. Elle est généralement utilisée pour permettre le flux électrique dans une direction et le limiter dans la direction opposée.

Lorsque les matériaux de type P et N sont fusionnés, vous formez une jonction PN. Nous devons le faire dans un environnement propre en salle blanche. Lors de l'attachement de matériaux avec une conductivité différente, les électrons négatifs sont attirés par les charges positives et forment une sorte de frontière à la jonction. Les autres charges similaires sont repoussées, conduisant à la formation d'une zone d'appauvrissement à l'intersection où le flux d'électrons et de charges positives sont en équilibre.

La conception de la diode asiatique peut la rendre polarisée en direct ou en inverse.

Dispositifs semi-conducteurs – Polarisation directe (Forward Bias)

Si nous connectons le côté P au flux direct, on l'appelle une polarisation directe, et l'électricité circule dans le circuit.

Dispositifs semi-conducteurs – Polarisation inverse (Reverse Bias)

Dans la configuration de polarisation inverse, nous connectons le côté P à une tension plus négative, et ainsi tous les électrons entrants sont repoussés. Cela bloque le flux d'électricité dans le circuit.

Dispositifs semi-conducteurs – Applications

Quelques applications courantes des diodes sont listées ci-dessous

1. Diode dans les redresseurs

Les diodes aident à la conception de divers circuits redresseurs pour redresser la puissance de CA en CC. Quelques types de base de circuits redresseurs utilisant des diodes sont :

1. Demi-onde

2. Onduleur à prise médiane (Full-wave center-tapped)

3. Pont complet (Full bridge)

Nous redressons le courant en CC en alternant la polarisation de la diode pendant chaque demi-cycle de l'entrée CA. De plus, un condensateur peut être utilisé dans ces circuits pour éviter les effets de ripple.

La diode dans les circuits coupeurs (Clipper Circuits)

Les circuits de coupure aident à éliminer le bruit excessif des émetteurs FM. Basé sur le type de configuration de diode utilisé, nous pouvons classer ces circuits comme :

1. Coupeur série (Series Clipper)

La diode est polarisée en inverse pendant le demi-cycle positif de la tension d'entrée et polarisée en direct pour le demi-cycle négatif.

2. Coupeur shunt (Shunt Clipper)

La diode agit comme un interrupteur dans ce circuit. Elle est polarisée en direct pendant le demi-cycle positif et fonctionne inversement pendant le processus négatif.

La diode dans les circuits de clampage (Clamping Circuits)

Alors que les circuits coupeurs éliminent les valeurs de crête, un circuit de clampage aide à décaler un signal de crête au niveau souhaité. Il est aussi appelé un restaurateur CC ou un décalage de niveau. Les types de circuits de clampage sont :

1. Configuration diode positive

Les crêtes négatives sont clampées pour qu'elles tombent à un niveau zéro.

2. Configuration diode négative

Les crêtes positives sont clampées et faites pour tomber à un niveau zéro.

La diode dans les portes logiques

Les portes logiques sont utilisées pour effectuer des opérations logiques comme ET, OU, NON, NON-OU, OU EXCLUSIF, etc. En appliquant le concept d'états d'impédance basse et haute d'un commutateur logique à la polarisation inverse et directe, les diodes peuvent construire tous les types de portes logiques.

Logique 1 correspond à une tension élevée et logique 0 à une tension basse. Pour construire une simple porte OU, vous pouvez utiliser deux diodes avec des interrupteurs. Quand les deux interrupteurs sont ouverts, les diodes sont polarisées en inverse, et la tension de sortie est zéro. Quand un interrupteur est fermé, une diode devient polarisée en direct, et la tension de sortie sera élevée.

La diode dans les circuits de protection contre le courant inverse

La diode peut protéger le circuit de la polarité inverse de l'alimentation CC. Lorsque la connexion d'alimentation CC est incorrecte, la polarité inverse se produit, et une grande collecte de courant pourrait s'écouler dans le circuit et causer des dommages. Une diode de blocage de chaque côté de l'entrée peut aider à éviter ce problème car elle bloquera l'alimentation en courant lorsqu'elle est connectée en série avec la charge. La diode sera polarisée en direct pour une connexion correcte et polarisée en inverse pour le mauvais lien.

La diode dans le multiplicateur de tension

Lorsque vous cascadez plusieurs diodes dans un circuit redresseur, vous pouvez obtenir une tension de sortie CC égale à la valeur de la tension d'entrée appliquée multipliée par le nombre de multiplicateurs utilisés.

V out = V in * multiplicateurs

Ces circuits peuvent être doubleur de tension et multiplicateur. En combinant un condensateur au circuit, vous pouvez obtenir un multiple impair ou pair de la tension d'entrée en sortie.

Dispositifs semi-conducteurs – Transistors

Les transistors sont les précurseurs de nombreux gadgets modernes et dispositifs électroniques. Ils ont rendu possible l'amplification de signal et les circuits de commutation, les rendant une partie essentielle des dispositifs électroniques.

Chaque transistor se compose de trois parties essentielles appelées l'émetteur, la base et le collecteur. Certains transistors peuvent également avoir un substrat supplémentaire pour la connexion avec les circuits.

Nous classons davantage selon la structure, le matériau ou le mécanisme impliqué dans le transistor.

1. Transistors à jonction bipolaire (NPN et PNP)

2. Transistors à effet de champ (JFET et MOSFET)

Applications

Les transistors sont utilisés comme commutateurs et amplificateurs dans les circuits pour contrôler le flux de courant.

Transistors à jonction bipolaire

Généralement appelés transistors de jonction, les BJT peuvent être davantage différenciés en fonction de la configuration.

1. Dans les circuits NPN, la configuration est CBE (Collecteur, Base et Émetteur).

2. Dans le cas de PNP, c'est EBC.

Pour NPN, connectez deux couches de matériau dopé N au matériau dopé P du milieu. Dans ce cas, les électrons passent de l'émetteur dans la base, et la base contrôle le nombre d'électrons que l'émetteur peut émettre.

Dans le cas des circuits PNP, la configuration est l'opposé de NPN. Deux matériaux dopés P aux extrémités avec un matériau dopé N comme base. La base contrôle toujours les flux de courant dans la direction opposée, mais.

Transistors à effet de champ

Les transistors FET fonctionnent un peu différemment des BJT. Ils consistent en des broches et ont trois parties, à savoir la grille, la source et le drain.

Les JFET de jonction sont une version plus simple des FET utilisés comme commutateurs, amplificateurs et résistances. Ils n'ont pas besoin de courant de polarisation et fonctionnent uniquement avec la tension d'entrée. Ils sont disponibles en deux types, le canal P et le canal N.

1. Canal P JFET

Le flux de courant se produit en raison de charges positives ou trous.

2. Canal N JFET

Ici, les électrons causent le flux de courant. Ces types de transistors sont plus populaires comparés aux transistors à canal P.

3. MOSFET

MOSFET signifie Transistor à effet de champ à semi-conducteur d'oxyde métallique. C'est le type de transistor le plus populaire utilisé dans la plupart des circuits à faible puissance dans les technologies de conception de puces. Comme le nom l'implique, ce dispositif semi-conducteur utilise des terminaux de grille métallique et a quatre terminaux – le drain, la source, la grille, le corps ou le substrat.

Les MOSFET offrent une impédance d'entrée élevée et une impédance de sortie faible.

Dispositifs semi-conducteurs – Amplificateurs opérationnels

Les amplificateurs opérationnels sont des blocs de circuits analogiques utilisés pour fabriquer des circuits haute performance avec un minimum de composants. En utilisant un système de rétroaction négative ou positive, amplificateurs, condensateurs, filtres, etc. peuvent utiliser ces circuits.

Ce sont des dispositifs linéaires avec des propriétés similaires à un amplificateur CC.

Un amplificateur opérationnel a trois terminaux importants, entrée inverseuse, entrée non-inverseuse, et le terminal de sortie, qui peut soit absorber soit fournir du courant et de la tension.

Applications

1. Comparer les signaux

Les amplificateurs op peuvent comparer la tension appliquée à une extrémité d'entrée à l'autre entrée. Les différences de tension dans les entrées peuvent causer la saturation dans l'ampli-op, et si les deux tensions d'entrée sont de la même magnitude, la tension de sortie sera de zéro volt.

2. Signaux tampons (Buffer Signals)

L'ampli-op configuré avec une configuration de rétroaction négative agit comme un amplificateur tampon à gain unitaire. Il a une impédance d'entrée élevée pour éviter les problèmes de chargement de la source de signal, une impédance de sortie faible et un gain de courant élevé.

3. Fournir des tensions doubles (Supply Dual Voltages)

Un ampli-op à double alimentation peut recevoir deux tensions différentes, une positive et une négative. Le terminal non-inverseur reçoit une tension positive, et le terminal inverseur reçoit une tension négative au lieu d'être connecté à la masse comme en mode alimentation simple.

Les ampli-op à double alimentation sont plus adaptés aux signaux CA et peuvent fonctionner avec des niveaux de tension plus élevés.

4. Amplifier les signaux

Un ampli-op peut amplifier les signaux d'entrée basés sur la tension dans ses terminaux d'entrée non-inverseuse et inverseuse.

5. Filtrer les signaux

Un seul ampli-op peut fournir des filtres à un, deux ou trois pôles. Différentes variations peuvent filtrer le circuit en utilisant un amplificateur opérationnel. Certains d'entre eux sont :

1. Filtres passe-bas

2. Filtres passe-haut

3. Filtres passe-bande

4. Filtres coupe-bande (Notch filters)

5. Somme des signaux (Summing Signals)

Le circuit de mixage audio et similaires ont besoin d'utiliser un amplificateur opérationnel pour sommer la tension appliquée. Le point de terre virtuel de sommation du circuit amplificateur inverseur aide à sommer les entrées audio.

Dispositifs semi-conducteurs – Résistance

Dans les processus électriques, nous avons besoin de résistances pour contrôler le flux d'électrons et ajuster le niveau de courant pour une tension donnée. Les résistances aident à y parvenir. Plus la résistance fournie par une résistance est élevée, plus le flux de courant sera faible.

Applications

1. Transistors et LED

Les résistances aident à protéger les dispositifs semi-conducteurs sensibles comme les transistors et les LED en permettant la bonne quantité de courant de passer à travers les circuits.

2. Chronométrage et fréquence

Les résistances, lorsqu'elles sont connectées à des condensateurs, peuvent fournir un dispositif de circuit à temps contrôlé. Cela aide dans la conception de circuits utilisés pour les flashes lumineux et les sirènes.

3. Diviseur de tension

Lors de la connexion d'une chaîne de résistances en série, vous pouvez obtenir la chute de tension désirée basée sur la valeur de résistance des résistances. La tension résultante est une proportion de résistance contribuée par chaque résistance dans le circuit.

4. Résistances pour le chauffage

Les résistances sont utilisées dans des appareils comme les grille-pains, les cuisinières électriques et les radiateurs pour convertir l'énergie électrique en énergie thermique.

Dispositifs semi-conducteurs – Condensateur

Les condensateurs sont une partie essentielle de tous les circuits électroniques. Ils peuvent être chargés avec du courant et peuvent le décharger tout à la fois.

Applications

1. Chronométrage (Timing)

En manipulant les intervalles de temps de charge et de décharge, les condensateurs peuvent être utilisés dans les circuits dépendants du temps comme les LED, les systèmes de haut-parleurs, les alarmes, et les circuits qui émettent des bips périodiques.

2. Lissage (Smoothing)

Le courant d'entrée CA peut être lissé pour produire une sortie CC en utilisant un condensateur et de nombreux appareils ménagers.

3. Couplage (Coupling)

Le couplage capacitif est le mécanisme par lequel le CC peut être bloqué tout en laissant le CA seul passer à travers un circuit. Les haut-parleurs utilisent des condensateurs pour atteindre ce mécanisme, et nous pouvons éviter tout dommage causé par le courant continu.

4. Accord (Tuning)

Les condensateurs variables sont utilisés dans les systèmes radio pour accorder les circuits. C'est fait en connectant un oscillateur LC à des condensateurs variables.

5. Stockage d'énergie (Energy Storage)

Les condensateurs peuvent stocker de l'énergie et la libérer d'un coup, ce qui trouve une utilisation dans des applications comme les circuits de caméra où un flash soudain est requis.

Dispositifs semi-conducteurs – Inductance

Les inductances sont des circuits électroniques passifs qui stockent de l'énergie dans un champ magnétique lorsque le courant circule à travers. Le fil isolé enroulé en bobine autour du noyau central fait l'inductance, qui est généralement le plus grand composant sur le circuit.

Applications

1. Filtres

Les inductances peuvent agir comme des filtres passe-bas, et lorsqu'elles sont combinées avec des condensateurs et des résistances, elles peuvent être utilisées pour créer des filtres avancés dans un circuit.

2. Capteurs

Les inductances peuvent détecter les champs magnétiques et les matériaux perméables magnétiquement sans avoir à être en contact physique avec lesdits matériaux. Cela les rend excellents pour une utilisation comme capteurs dans les feux de circulation et applications similaires.

3. Transformateurs

Lorsque des inductances avec le même chemin magnétique sont combinées, vous pouvez former un transformateur. Les transformateurs sont une partie essentielle des réseaux électriques et des alimentations.

4. Moteurs

Les moteurs inductifs aident à convertir l'énergie électrique en énergie mécanique plus efficacement avec l'aide d'une force magnétique. Nous pouvons utiliser un moteur à induction avec une entrée CA pour générer un champ magnétique rotatif. Les moteurs inductifs n'ont pas non plus besoin de contact électrique entre le rotor et la machine, ce qui en fait un choix plus sûr et fiable.

5. Stockage d'énergie

Tant que l'inductance est alimentée, elles peuvent stocker de l'énergie dans le champ magnétique. Les alimentations à commutation peuvent les utiliser, comme celles utilisées dans les ordinateurs personnels.

6. Égaliseur audio (Audio Equalizer)

Les égaliseurs audio sont des types particuliers de dispositifs électroniques qui aident dans la production musicale. Ils sont utilisés pour améliorer ou couper certaines fréquences pour créer les effets sonores requis.

Il y a différents types d'égaliseurs disponibles, les plus courants étant :

1. Égaliseur à étagère (Shelving equalizer)

2. Égaliseur graphique (Graphic equalizer)

3. Égaliseur paramétrique (Parametric equalizer)

Résumé

Cet article est un aperçu de base des semi-conducteurs et de tous les dispositifs qu'ils peuvent fabriquer.

Avez-vous des questions ? Faites-le nous savoir dans les commentaires ci-dessous. Si vous avez besoin des services de Dispositifs Semi-conducteurs, vous pouvez nous contacter. WellPCB a plus de dix ans d'expérience dans la fabrication de circuits imprimés. Nous pouvons en discuter ensemble et apprendre l'électronique.