Semi-conducteurs et amplification
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#Semi-conducteurs et amplification
Les semi-conducteurs permettent d’amplifier, de commuter et de réguler l’énergie électrique. À partir de structures PN, on construit diodes, transistors bipolaires (BJT) ou à effet de champ (MOSFET). Chaque composant exige une polarisation adaptée pour fonctionner dans la zone voulue (conduction, saturation, coupure).
#Diodes
Une diode laisse passer le courant dans un sens et le bloque dans l’autre. Son modèle courant-tension suit i = I_s * (exp(v / (n * V_T)) - 1), mais on l’approxime souvent par une chute de tension constante (0,7 V pour le silicium). On distingue diodes de redressement, Schottky, Zener (régulation), ou LED (émission de lumière). Les diodes sont essentielles pour protéger un circuit (roue libre des relais), réaliser un redresseur ou créer une référence de tension.
#Transistor bipolaire (BJT)
Le BJT comporte trois régions (émetteur, base, collecteur). En polarisation active, un petit courant de base i_B contrôle un courant collecteur i_C = β × i_B. On place souvent le point de fonctionnement (I_C, V_CE) au milieu de la zone linéaire pour conserver de la marge. Autour de ce point, on linéarise le composant et on obtient une transconductance g_m = I_C / V_T qui sert à dimensionner le gain du montage émetteur commun. À l’inverse, lorsque V_CE devient trop faible, le transistor sature et se comporte comme un interrupteur fermé.
#Transistors à effet de champ (MOSFET)
Les MOSFET sont omniprésents dans l’électronique de puissance et les circuits intégrés CMOS. Ils sont commandés en tension : un champ électrique ouvre ou ferme un canal entre drain et source. Deux modes principaux :
- Région linéaire (canal partiellement ouvert) pour des analogiques comme les amplis opérationnels.
- Région de saturation (canal pincé) pour obtenir une source de courant ou un switch numérique.
Les paramètres clés sont la tension de seuil V_th, la résistance à l’état passant R_DS(on), et la charge de grille Q_g qui détermine la vitesse de commutation.
#Amplificateurs opérationnels
Un amplificateur opérationnel (AOP) encapsule des centaines de transistors pour offrir un gain très élevé et différentiel. Utilisé avec une contre-réaction, il réalise des fonctions précises : amplificateur non-inverseur, intégrateur, comparateur. Les limites principales : taux de montée (slew rate), bande passante, tension de saturation, bruit d’entrée.
Pour concevoir un AOP discret, on enchaîne généralement un étage différentiel (entrée), un étage de gain (VAS) et un étage de sortie push-pull. Le dimensionnement des miroirs de courant et la compensation en fréquence (condensateur de Miller) assurent la stabilité.
Les semi-conducteurs transforment des signaux microscopiques en informations exploitables. En comprenant les zones de fonctionnement et les grandeurs associées, vous pourrez passer de simples montages logiques à des systèmes de capteurs, d’alimentation ou de communication fiables.