Les semi-conducteurs

Qu'est-ce qu'une diode ?

Une diode à semi-conducteur est un composant semi-conducteur de base. Il s'agit du premier périphérique électronique utilisant les semi-conducteurs à avoir été commercialisé. Une diode est un semi-conducteur présentant une « jonction P-N » connectée à deux bornes électriques. La jonction P-N est un « bloc fonctionnel » essentiel utilisé dans la plupart des périphériques semi-conducteurs y compris les diodes et les transistors. Une jonction P-N est une limite ou une interface entre deux types de matériaux semi-conducteurs : de type P et de type N, qui sont créés en implantant des impuretés.

La diode possède des caractéristiques « asymétriques » : elle présente une faible résistance (idéalement nulle) à la circulation du courant dans un sens et une résistance élevée (idéalement infinie) dans l'autre sens. Les caractéristiques courant-tension non linéaires des diodes peuvent être adaptées grâce à l'utilisation de différents matériaux et en ajoutant des impuretés dans ces matériaux (opération également appelée dopage) pour leur permettre d'exécuter différentes fonctions.

La fonction la plus courante d'une diode est de permettre à un courant électrique de circuler dans un sens (passant), tout en bloquant le courant dans le sens opposé (bloqué). La diode est couramment utilisée dans les circuits électriques, comme dans le cas d'un pont de diodes, pour « corriger » un signal afin de convertir le courant alternatif (c.a) en courant continu (c.c). En outre, les diodes peuvent également être utilisées pour conduire l'électricité uniquement si une certaine tension de seuil est présente dans le sens passant (ou polarisé dans le sens passant). La chute de tension sur une diode polarisée dans le sens passant ne varie que très légèrement avec le courant, selon la température. En vertu de cette caractéristique, une diode peut, par exemple, être utilisée comme capteur de température. Un vaste éventail de types de diodes différents (décrits ci-dessous) sont disponibles, y compris des diodes PIN, à courant constant, TVS, Zener, Schottky et redresseur.

Symbole électrique généralement utilisé pour une diode

 

Qu'est-ce qu'une diode PIN ?

Une diode PIN est un type de diode à semi-conducteur qui présente une large zone très légèrement dopée entre les zones de type P et de type N. Cette large zone intermédiaire, contrairement à une simple diode P-N, la rend parfaitement adaptée à une utilisation comme commutateur rapide ou atténuateur* dans les dispositifs électroniques de haute tension, plutôt que comme redresseur.

Les attributs clés des diodes PIN sont :

• Configuration de la diode, y compris cathode commune ou anode commune simple ou double
• Applications cibles y compris les atténuateurs ou les commutateurs
• Plage de fréquences de fonctionnement telle que VHF, UHF ou SHF
• Conduction directe du courant (max.)
• Tension directe (max.)
• Tension inverse (max.)

 

Qu'est-ce qu'une diode à courant constant ?

Une diode à courant constant ou à courant limité comporte un transistor à effet de champ (de type JFET, junction gate field-effect transistor)* dont la porte est court-circuitée à la source. Elle fonctionne comme un limiteur de courant à deux bornes, permettant au courant de circuler uniquement jusqu'à une certaine valeur, puis de se stabiliser à une valeur spécifique.

Les attributs clés des diodes à courant constant sont :

• Configuration de la diode y compris une anode double ou commune
• Courant (max.) (où la tension est inférieure à la tension maximale de fonctionnement)
• Tension d'isolement à limitation de courant
• Tension courant constant limité (max.)

 

Qu'est-ce qu'une diode TVS ?

Les diodes TVS (Transient-voltage-suppression) sont utilisées pour protéger l'électronique des « surtensions » ou des pics de tension transitoires. Le périphérique « shunte » l'excès de courant lorsque la tension est supérieure au potentiel de rupture d'avalanche, supprimant ainsi toutes les surtensions au-dessus de la tension d'isolement. En général, une diode TVS répond aux surtensions plus rapidement que les autres composants de protection contre les surtensions tels que les varistances.

Les attributs clés des diodes TVS sont :

• Configuration du périphérique y compris une anode double ou commune
• Tension nominale maximale de courant
• Courant d'impulsion (max.)
• Tension de conduction
• Tension d'isolement à limitation de courant
• Tension de seuil à conduction nulle

Symbole électrique généralement utilisé pour une diode TVS

 

Qu'est-ce qu'une diode Zener ?

Alors que la diode commune permet au courant de circuler uniquement dans un sens, la diode Zener modifie cette règle. Elle permet au courant de circuler dans le sens passant de la même manière qu'une diode idéale, mais elle permet également au courant de circuler dans le sens bloqué lorsque la tension dépasse la tension d'isolement. La diode Zener est généralement utilisée pour fournir une tension de référence pour les régulateurs de tension ou pour protéger d'autres périphériques à semi-conducteurs des impulsions de tension transitoires.

Les attributs clés d'une diode Zener comprennent :

• Configuration du périphérique y compris une anode double ou commune
• Type de Zener, y compris Avalanche Zener ou régulateur de tension
• Tolérance de tension
• Tension de dérive avec la température
• Impédance (max.)

Symbole électrique généralement utilisé pour une diode Zener

 

Qu'est-ce qu'une diode Schottky ?

La diode Schottky, aussi connue sous le nom de « diode support chaud », possède une faible chute de tension directe et une action de commutation très rapide. Quand le courant circule à travers une diode, une petite chute de tension se produit dans les bornes de la diode. Alors qu'une diode normale au silicium présente une chute de tension comprise entre 0,6 et 1,7 volts, la chute de tension de la diode Schottky est sensiblement inférieure, probablement entre 0,15 et 0,45 volts, lui permettant ainsi d'offrir une vitesse de commutation bien plus élevée et une meilleure efficacité du système.

Les attributs clés d'une diode Schottky comprennent :

• Configuration du périphérique y compris une anode double ou commune
• Temps de recouvrement inverse
• Tension directe
• Courant inverse

Symbole électrique généralement utilisé pour une diode Schottky

 

Qu'est-ce qu'une diode redresseur ?

Les redresseurs peuvent être utilisés dans de nombreux types de circuits, mais leur mission principale est de convertir le courant alternatif (c.a) en courant continu (c.c), opération appelée rectification. Les redresseurs sont le plus souvent utilisés comme composants d'alimentations c.a/c.c et de systèmes de transmission de puissance c.c haute tension. Le contraire d'un redresseur est un inverseur, qui implémente des circuits plus complexes pour effectuer la conversion de c.c à c.a.

Les attributs clés des diodes redresseurs sont :

• Type de circuit, telles qu'une diode de commutation
• Configuration du périphérique, y compris cathode commune ou anode commune simple ou double
• Courant continu (max.) dans le sens passant
• Tension inverse (max.) durable sans risque d'endommagement
• Tension directe (max.)

Qu'est-ce qu'un transistor ?

Le transistor est l'élément essentiel de tous les produits électroniques modernes. Ce périphérique de base se trouve dans tous les systèmes électroniques. Les transistors peuvent être conditionnés individuellement comme des « composants discrets » ou intégrés par centaines, milliers ou millions dans des circuits intégrés, tels que les microprocesseurs. Sa taille, en constante diminution, et sa capacité d'atteindre des niveaux plus élevés d'intégration ont conduit à une transformation de la puissance informatique depuis une soixantaine d'années.

 

Le transistor présente essentiellement deux fonctions de base : il régule le courant ou le flux de tension et peut être utilisé pour « amplifier » et/ou « commuter » des signaux électroniques et de l'énergie électrique. Il est conçu à partir de matériaux semi-conducteurs et comporte au moins trois bornes pour un raccordement à un circuit externe. La tension ou le courant appliqués à une paire de bornes du transistor modifie le courant transmis à travers une autre paire de bornes. Un transistor peut amplifier un signal car la puissance (de sortie) contrôlée peut être supérieure à la puissance (d'entrée) de contrôle.

 

Qu'est-ce qu'un transistor bipolaire ?

Le transistor bipolaire, appelé également transistor à jonction bipolaire ou BJT, est un type de transistor comportant deux jonctions P-N en série, mis en œuvre en tant que types N-P-N ou P-N-P. Les transistors bipolaires sont généralement utilisés pour l'amplification de signaux analogiques ou numériques, en plus d'être utilisés comme commutateurs ou dans les oscillateurs. Ils sont couramment utilisés comme composants discrets ou en très grande quantité dans les CI.

 

Les contacts sont réalisés sur les trois zones : les deux zones extérieures sont l'émetteur et le collecteur, et la zone du milieu est appelée la base. Un transistor bipolaire amplifie le courant, mais il peut être connecté à des circuits conçus pour amplifier la tension ou la puissance. Le courant collecteur-émetteur est essentiellement contrôlé par le courant base-émetteur (contrôle du courant) ou par la tension base-émetteur (contrôle de tension).

 

Les attributs clés des transistors bipolaires sont :

 

• Type de transistor, comme N-P-N ou P-N-P
• Configuration du transistor, telle que base double ou commune
• Nombre de transistors par périphérique
• Courant du collecteur (max.)
• Tension collecteur-émetteur, VCE (max.)
• Puissance dissipée (max.)
• Gain en courant (min.)

 

Symboles électriques généralement utilisés pour les transistors bipolaires (N-P-N et P-N-P)

 

Qu'est-ce qu'un transistor Darlington ?

Le Transistor Darlington, ou paire Darlington, comprend une paire de transistors bipolaires. Ces transistors peuvent être intégrés sur un périphérique unique, ou des périphériques distincts peuvent être connectés de manière que le second transistor amplifie davantage le courant qui a déjà été amplifié par le premier transistor. Cette configuration procure un gain de courant commun/d'émetteur beaucoup plus élevé que chaque transistor pris séparément. Les paires Darlington intégrées sont proposés dans des boitiers distincts standard ou sous forme de réseau de périphériques dans un CI.

 

Les attributs clés des transistors Darlington sont :

 

• Type de transistor, comme N-P-N ou P-N-P
• Configuration du transistor, telle que base double ou commune
• Courant du collecteur (continu) (max.)
• Tension collecteur-émetteur, VCE (max.)
• Tension base-émetteur sous saturation, VBE (sat.) (max.)
• Gain en courant (min.)

 

Symboles électriques généralement utilisés pour les paires Darlington

 

Qu'est-ce qu'un JFET ?

Le transistor de type JFET (junction gate field-effect transistor) est le type le plus simple de transistor à effet de champ (également la base du MOSFET) et est utilisé comme commutateur ou résistance de tension contrôlée. La charge circule à travers un canal entre la source et le drain.

 

Les attributs clés des transistors de type JFET sont :

 

• Type de transistor, comme N-P-N ou P-N-P
• Configuration du périphérique, telle que double ou double-drain
• Courant du drain (continu) (max.)
• Tension drain-source, TDS (max.)
• Tension grille-source, TGS (max.)
• Tension grille-drain, TGD (max.)

 

Symbole électrique généralement utilisé pour les JFET

 

Qu'est-ce qu'un MOSFET ?

Le transistor MOSFET (transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur) est un transistor utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électroniques. Le MOSFET est un périphérique doté de quatre bornes correspondant à une source, une grille, un drain et un corps. Cependant, son corps (ou substrat) est généralement connecté à la borne de la source, ce qui en fait un périphérique à trois bornes. Le MOSFET est devenu le plus commun des transistors utilisé à la fois dans les circuits numériques et analogiques.

 

Il offre de meilleures performances de commutation que le transistor bipolaire. C'est un périphérique contrôlé par tension, nécessitant une énergie négligeable pour assurer la conduction et assurant ainsi des économies d'énergie par rapport au transistor bipolaire. Dans les composants hautement intégrés, les transistors MOSFET sont utilisés dans la technologie CMOS (MOS complémentaire), avec une échelle de taille importante qui permet à des millions de ces périphériques d'être intégrés dans les circuits intégrés.

 

Les attributs clés des MOSFET comprennent :

 

• Type de transistor, comme N-P-N ou P-N-P
• Courant du drain (continu) (max.)
• Tension drain-source, TDS (max.)
• Tension grille-source, TGS (max.)
• Résistance drain-source, RDS (ON) (max.)

 

Symboles électriques généralement utilisés pour les MOSFET

 

Qu'est-ce qu'un IGBT ?

L'IGBT est essentiellement un commutateur de transistor de puissance qui offre une grande efficacité et une commutation rapide. Il est largement utilisé pour des applications d'électronique de puissance pour le contrôle des moteurs, l'éclairage et bien d'autres applications dans les secteurs de l'industrie et de la consommation. Les transistors IGBT présentent une haute impédance d'entrée et une faible impédance de sortie, et combinent les avantages des transistors de puissance MOSFET et bipolaires. Ils offrent ainsi une grande capacité de transport du courant semblable à celle d'un circuit bipolaire, mais avec la facilité de contrôle d'un MOSFET.

 

Les attributs clés des IGBT sont :

 

• Configuration du périphérique, telle que double ou réseau
• Type de transistor, comme N-P-N ou P-N-P
• Courant du collecteur (continu) (max.)
• Tension collecteur-émetteur, VCE (max.)
• Tension grille-émetteur, TGE (max.)
• Vitesse de commutation (max.)

 

Symboles électriques généralement utilisés pour les IGBT

Que signifie boitier ?

Les semi-conducteurs discrets sont livrés dans des boitiers (généralement en plastique, céramique, métal ou verre), qui protègent le matériau semi-conducteur (généralement en silicium). Le boitier assure une protection et maintient les contacts, les fils ou les connexions servant à connecter le périphérique à des circuits externes. Le boitier est également important pour dissiper la chaleur produite dans le périphérique. Il existe un large éventail d'boitiers de semi-conducteurs et le choix dépend en général de la taille, du nombre de fils/connexions et de la dissipation de la puissance, entre autres caractéristiques.

 

Généralement, il existe des boitiers spécifiques à la technologie de montage traversant, où des composants dotés de broches de raccordement ou de fils sont montés à travers les trous de la carte de circuit imprimé. Il existe également des boitiers spécifiques à la technologie de montage en surface, qui constitue une très bonne méthode profil bas offrant un gain de place, dans laquelle les composants sont montés directement sur la surface de la carte de circuit imprimé en étant raccordés par l'intermédiaire de connexions ou de billes.

 

En outre, des périphériques spéciaux existent également, tels que les LED (diodes électroluminescentes) ou les dispositifs de détection de la lumière, nécessitant l'ajout d'une « fenêtre » dans le boitier.

Glossaire des autres termes

Atténuateur : un dispositif qui réduit la puissance du signal sans trop déformer la forme d'onde.

Carte de circuit imprimé : la carte de circuit imprimé est une carte ou un substrat non-conducteur utilisée pour connecter des composants électroniques, tels que des semi-conducteurs discrets ou des CI, ou des dispositifs passifs tels que des condensateurs, des inducteurs ou des résistances, grâce à des pistes en cuivre de conduction pour créer un circuit électrique.