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ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo 1
Semi ConducteursEt
Composants
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Objectifs
Connaitre le principe de fonctionnement de la diode de la diode zner du transistor
Matriser et manipuler des modles quivalents statiques de la diode de la diode zner Du transistor
Etre capable de polariser correctement un transistor Fonctionnement bloqu /satur Fonctionnement en source de courant contrl
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ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Atomes
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Structures des atomes Un noyau + des lectrons
Des orbites associes des tat nergtiqueso La couche priphrique est appele Couche de valenceo Elle intervient dans l'tablissement des liaisons
chimiques entre diffrents atomes pour former desmolcules.
3
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Atomes
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
4
4 lectrons de valence
3 couches
occupes: K,L,M
Dopage type PDopage type N
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Atomes
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Bandes dnergies Rpartition nergtiques en bandes discontinues
o Orbitales associes des tats nergtiqueso Bandes interdites
2 bandes impliques dans la conduction lectriqueo La bande de conduction et bande de valence
5
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Semi-conducteur
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Structure cristalline du silicium non dop
Proprits : Structure cristalline trs rigide. 4 liaisons par atome assurant la rigidit du cristal
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ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Cration dune paire lectron-trou Sous laction de la temprature,
un lectron provenant dune liaison peut se librer. Llectron (charg ngativement)
laisse sa place un trou (charg positivement). Les trous et lectrons sont
appels porteurs libres ils sont le support du courant lectrique.
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Semi-conducteur
trou
Illustration du courant de trou
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Semi-conducteur
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Dopage On rajoute des impurets la place datomes de Si Dopage type N: impuret a 5 lectrons => 1 lectron est libre Dopage type P: impuret a 3 lectrons => 1 trou est libre
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Type N Type P
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Jonction PN
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Avant quilibre
9
Des lectrons, porteurs libres majoritairesapports par les impuretsDes trous, porteurs libres minoritaires dus lagitation thermique.Des ions fixes chargs positivement : lesimpurets ayant perdu un lectron
Des trous, porteurs libres majoritaires apports par les impuretsDes lectrons, porteurs libres minoritaires dus lagitation thermique.Des ions fixes chargs ngativement : les impurets ayant perdu un trou.
Phnomne de diffusion
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Jonction PNr
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Jonction PN lquilibre Les porteurs majoritaires de chaque cot diffusent et laisse des atomes ioniss
Dans la zone de transition : il ny a plus de porteurs libres Les ions fixes cre un champ lectrique qui compense la diffusion: ETAT STABLE
10
ltat stable seuls les lectrons ou les trous ayant une nergie suprieure eVd peuvent passer
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Le composant DIODE
Diode Diode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Composants
Symboles
Modle de shockley Ordre de grandeur de Is (qq nA) Mise en vidence de linfluence de la To
11
( 1)DqV
kTd sI I e=
traites part
Id
Vd
q=e=1,9.10-19 [C]k=1,38.10-23 [JK-1]
T [K] rappel: [K]=[oC]+273
[ ]1;2
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Principe de fonctionnement
Diode Diode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Diode polarise en direct La barrire de potentiel VD diminue. A partir dune tension de seuil : les porteurs peuvent passer et la diode se comporte
comme un interrupteur ferm
12
Le mouvement detrous correspond un mouvementdlectrons dansla bande devalence I trousI lectrons
+ =
Modle de shockley
q=e=1,9.10-19 [C]k=1,38.10-23 [JK-1]
( 1)DqV
kTd sI I e=
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Principe de fonctionnement
Diode Diode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Diode polarise en inverse La barrire de potentiel VD augmente Peu de porteurs ont lnergie suffisante pour passer : la diode se comporte comme un
interrupteur ouverto Prsence dun courant inverse IS d aux porteurs minoritaires (qques nA).
13
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Modlisation
Diode Diode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Modles statiques usuels choix en fonction de la prcision souhaite
14
ISIS
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Analyse
Diode Diode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Mthode de calculs Du bon sens:
o le courant scoule des potentiels les + leves vers les + faibleso La diode est unidirectionnelle en courant: le courant rentre par lanode
Si doutes:o faire une hypothse et on la vrifie (ou pas) a posteriori
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Diode passante : elle se comporte comme un fil on vrifie que iD > 0.Diode bloque : elle se comporte comme un circuit ouvert on vrifie que VD < 0.
Si lhypothse est fausse, on en refait une autre...
Hyp: D passante lorsque e ir=
id
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Applications
Diode Diode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Fonction alimenter en nergie Redressement dans une chane de conversion AC-DC
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abaisser le niveau de tension du secteur
Obtenir une composante continue
Filtrer les harmoniques
Obtenir la tension la plus constante
Rappel sur le transformateur
symbole quations
2 1
1 2
U ImU I
= =
Transfo parfait
schmas quivalents
symbole modle transfo parfait
ou
mI2
mU1U1
I1 I2
U2
U1 U2
I2m
U1 U2
I1 I2
Modlisation du transfo parfait
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Applications
DiodeDiode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Redressement simple alternance
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PrsentateurCommentaires de prsentationdmonstration
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Applications
DiodeDiode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Redressement double alternance
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Symbole graphique couramment utilis pour reprsenter le pont de graetz
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Applications
Diode Diode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Redressement double alternance + Filtre
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C
+
Dimensionnement simplifi de CHypothse simplificatrice: on suppose une dcharge courant constant I=IR=Icharge
max
.
c dsir
I TCU
=
. .Q I T C U= = Ce type de montage gnre des courants pulss sur le rseau ( puissance apparente plus leve et pollution lectromagntique)
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Applications
DiodeDiode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Diode dcrtage Protection des circuits
Diode de roue libre Circuit de dlestage lors des dmagntisations
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Diode de clamp intgr dans les CI
Circuit inductif
Diode de roue libre
Hacheur srie
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
La diode zner
DiodeDiode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Symbole
Caractristique tension/courant
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composants
Se comporte comme une diode en polarisation directe
Se comporte comme une source de tension en polarisation inverse
VF
IF
Vz0
Iz
VF
Se comporte comme un interrupteur ouvert
Ici Convention de flchage direct (type diode)
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Modlisation
DiodeDiode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Flchage en convention zner La zner est normlaement polaris en inverse Plutt que de travailler avec des grandeurs ngatives on inverse le flchage
Modle statique (fonctionnement INVERSE)
22
A
K
Pente de la droite =1
Vz0
Iz
VzVz0
Iz
Vz
PrsentateurCommentaires de prsentationDessiner deux modles Modle 1: Vz0= 3,3V modle 2: Vzt=rz*Izt+Vz0 => Vz0= 3,3- 20*80m=1,7V
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Modlisation
DiodeDiode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Applications type
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Vc0
Vc
Rs
rz
Vz0Rch Vs
Is
Ve
Ie
La qualit de stabilisation de Vs est quantifie par 2 coefficients :
Coefficient amont: = =
Coefficient aval: = =
modlisation
Stabiliser tension
Protger quipement
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Analyse
DiodeDiode Zner
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Comment savoir dans quel tat est la zner? Procd analogue celui des diodes
o faire une hypothse en cas de doute
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On suppose que la diode Zener est bloque =>
E=9V
VL > VZ , donc lhypothse est fausse : la diode fonctionne en zner et donc VL = 5V
Conclusion: La diode Zener stabilise la tension de sortie VL = VZ
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Transistor bipolaire
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Composant
Symbole
Structure interne
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Flchage tensions/courants
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Principe de fonctionnement
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Effet transistor (cas NPN) jonction PN base-metteur (BE) polarise en direct BC polarise en inverse
26
VC > VB > VE
1 - BE est polarise en direct, un courant dlectrons arrive la base (B).2- la jonction BC est polaris en inverse=> extension de la ZCE sur pratiquement toute la base3- la majorit des lectrons inject dans la base (type P) nont pas le temps de se recombiner car ils sont catapults par la jonction BC polarise en inverse4- on quantifie leffet transistor par le coefficient dinjection : Ic= Ie avec 0,95 0,99
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Modlisation
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Modle dEbers Moll simplifi
Caractristique de sortie
27
Ib
Ie
Ic
Ie Proche de la structure interne du composant Mise en vidence de leffet transistor : Ic= Ie ou encore Ic= Ib Mise en vidence du phnomne de saturation :Si BC en direct => IcB
E
C
3 modes de fonctionnement possibles suivant le point de fonctionnement
Saturation: interrupteur ferm!
Linaire: une source de courant
Bloqu: interrupteur ouvert!
( 1)D
T
VV
e esI I e=
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Circuit de commande
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Commander un transistor choisir un point de fonctionnement = placer le transistor dans un des 3 modes choisir un point de fonctionnement= agir la maille de commande= contrler Ib contrler Ib= choisir correctement Rb en fct du cahier des charges
28
VBB VCC
( 1) ( 1)1
D D
T T
V VV Ve
e es b bsII I e I I e
= => = =
+
Maille De commande
Maille de charge
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Circuit de commande
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Polarisation des transistors Polarisation par rsistance de base
o Peu utilis car trs sensible aux dispersion des composants et la temprature
Polarisation par pont
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On applique le thorme de Thvenin pour trouver VBB et RB
PrsentateurCommentaires de prsentationComplter polar par pont + thvenin qu
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Transistor en source de courant commande
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Fonctionnement linaire Interprtation graphique
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PrsentateurCommentaires de prsentationecrire
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Transistor en interrupteur command
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Fonctionnement satur Interprtation graphique
Comment saturer un transistor On connait ou on calcule Ic
On calcule =
avec 1; 2 et on dduit RB
31
Dans les datasheets les notations hybrides sont utilises:hFE= ( grandeurs statiques)
IcIb Courbe0
Courbe1
PrsentateurCommentaires de prsentationCommenter la saturation: Rb diminue , Ib1 augmente, on passe de la courbe 0 courbe 1. dplacement du point de fct de IC0 IC1 etc..
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Modles quivalents pour les calculs
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Vbe=0.7V
Ib
Ie
Ic
Ib = Ie
B
C
connatre
TRANSISTOR EN REGIME LINEAIRESOURCE DE COURANT COMMANDEE
TRANSISTOR EN REGIME NON LINEAIREINTERRUPTEUR COMMANDE
B
E E
C
0.7V
IcIb
Le circuit de commande rgle le courant IB qui contrle proportionnellement le courant IC
Le courant IC ne varie plus proportionnellement IB.Le transistor se comporte comme un interrupteur FERM
IcIbIc=IbIc=Ib
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Analyse
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Le schma est donn: quel est ltat du transistor? Comme pour les diodes on fait une hypothse de calcul: T passant par exemple Les calculs sont effectus puis la cohrence de lhypothse vrifie!
33
connatre
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Applications
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Interfaage et interrupteur command Objectif: adaptation en courant
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Montage darlington
On notera labsence de diode de roue libre (la dmagntisation se fait par le secondaire du transfo!)
Transistor en commutation (20kHz et +)
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Applications
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Rgulation de tension Source de tension contrle en courant Prsence dune contre-raction 2 types de rgulateur
o Shunt ou ballast
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Rgulation de type shunt (ou //)Effet dauto-rgulation
Rgulation de type sriePrincipe du transistor BALLAST
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Applications
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Rgulateur ballast Le plus utilis jusqu P
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Applications
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Rgulateur de tension intgr Structure ballast
37
Iload = k.123Vdiff
Vce=2Vbe+Vce3
bandgap de Brokaw: rfrence de tension de 1,25V
Vref=1,25V
On retrouve notre tension de dchet Vdropout
Is
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Le composant JFET
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Symbole
Structure
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canal N canal P
Canal ouvert au maximum Vgs=0
Zone rsistivele canal se rtrcit petit petit au fur et mesure que Vds augmente (Vds faible)Zone pinceau-del dun seuil Vds, la largueur du canal ne change plus (rduite un minimum) => le courant ne dpend plus de Vds
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Caractristiques externes du JFET
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Caractristique pour Vgs=0
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RD
D
E
G
SVDS
iDiG = 0
VGS=0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
VGS=0V
VDS
ID
Zone rsistive Source de courant
Rversibilit (dans une certaine limite) de la zone de fonctionnement
= avec <
Graph1
0
11
14
16
16.3
16.3
16.3
16.3
16.3
16.3
VGS=0V
VDS
ID
Feuil1
VDS0-4-3-2-10
000000
1235811
22.6471114
434.8812.516
635812.516.3
7.535812.516.3
1035812.516.3
1235812.516.3
1435812.516.3
1635812.516.3
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Caractristiques externes du JFET
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Rseau de caractristiques Comportement 1: zone de rsistance command en tension = ()) Comportement 2: source de courant command en tension = ())
40
JFET en zone pince Mise en vidence: Du contrle de Vgs sur Id
+
2( )gs PId k V V= 2( )gs PId k V V=
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
JFET en rsistance commande
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Rsistance commande
Modle quivalent
41
Id
Vds
Condition de fonctionnement en zone rsistive:
Remarque: <
VDSVGS
S
G DIG = 0
S
rds=h(VGS)
rds
+
12 ( ) 1
dsonds
gsgs p
p
rr Vk V V
V
=
rds=h(VGS)
( )22( )gs P ds dsId k V V V V= 2
p
dss
VI
=
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JFET en rsistance commande
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Applications
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Multiplexeur analogique Contrle automatique de gain
Echantillonneur/bloqueur Gain variable
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
JFET en source de courant
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Source de courant contrl en tension
Modle quivalent statique ou grand signal Pour les petits signaux un modle spcifique petit signal est utilis
o La fonction de transconductance est linarise autour dun point de repos Vgs0
43
VDSVGS
S
G DIG = 0 ID = f(VGS)
Condition de fonctionnement en zone pince:
Remarque: < > +
2( )gs PId k V V= 2
1 VgsId IdssVp
=
k: transconductance statique exprime en A/V2
on retrouve la mme quation sous une autre forme
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
composants MOSFET
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Symboles
Structure enrichissement (Enhancement)
44
Prsence dun dilectrique isolant
Formation du canal de conduction en appliquant Vgs>0
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
E-MOSFET: caractristiques externes
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
caractristiques
45
Transistor non pinc Transistor pinc (ou satur
Transistor bloqu (Id=0)
VT
retenir: On travaille avec VGS 0 tant que VGS na pas atteint le
seuil VT le transistor est bloqu
Pour les techno FET le sens satur est diffrent de celui des bipolaires
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
E-MOSFET: modles
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Modles quivalents Identiques au JFET Rappel : source de courant contrl en tension
o Condition VTo Modle quivalent statique ou grand signal
Applications Tout domaine de llectronique
o Conception de circuits intgrs analogique ou digital (structures CMOS)o Amplificateurso Interrupteurs de puissance
46
VDSVGS
S
G DIG = 0 ID = f(VGS)
attention:VGS et VT>0
22( ) 1p gs
VgsId k V V IdssVp
= =
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
D-MOSFET: caractristiques externes
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
Structure appauvrissement Permet de travailler en appauvrissement (Dpletion) mais
aussi en enrichissement (VGS>0)
caractristiques
47
le canal est form pour Vgs=0
Les quations restent identiques
ER/EN1- IUT GEII Juan Bravo
Transistor bipolaireTransistor JFETTransistor MOSFET
Physique des semi-conducteursDiode
Transistor
48
Fiche synthse des transistors effet champs
Vous remarquerez que pour trouverles courbes des transistorscomplmentaires il suffit dinverserles signes , condition toutefois deconserver les mmes conventionsde flchages courants/tensions
P
Diapositive numro 1Diapositive numro 2Physique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorDiapositive numro 32Physique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistorPhysique des semi-conducteursDiodeTransistor