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Lherbaudiere		 14 pages à l'impression

dernière mise à jour
18 mars 2013

GLOSSAIRE ENCYCLOPEDIQUE
A L'USAGE DU NON ELECTRONICIEN
HIJKL

H

I

impédance d'entrée : L'électronicien aime représenter les dispositifs via des schémas équivalents tels celui ci-dessous.


Sur ce schéma on peut identifier à gauche le générateur de signal Vg, dont l'impédance interne est déportée sur la figure en Zg. Le circuit T1 est identifié par ce qu'on appelle son quadripôle équivalent ABCD avec à gauche son entrée aux bornes AB duquel on va trouver une différence de potentiel e1 et un courant d'entrée i1. Dans ces conditions on appellera Ze impédance d'entrée du circuit T1 la quantité e1/i1, on qualifiera de même l'impédance de sortie Zs par s2/i2.

Pour le générateur tout ce qui se trouve à droite de AB, c'est à dire T1 et sa charge Zl est vu comme équivalent à Ze. D'où la simplification graphique que l'on utilisera souvent en électronique. Notons que cette impédance d'entrée voit généralement sa valeur modifiée si on change la valeur de Zl qui est l'impédance de charge du circuit T1 qui peut lui-même être quelque chose de très complexe dont la simplification par un quadripôle ne rend pas toujours correctement ou exactement compte. Symétriquement si l'impédance du générateur évolue on verra souvent l'impédance de sortie évoluer simultanément et souvent l'art de l'électronicien consistera à mettre en oeuvre des techniques minimisant ces influences.

impédance de sortie: voir ci-dessus impédance d'entrée

intégrateur : un dispositif intégrateur est conçu à partir d'un ampli_op et réalise la fonction inverse du dérivateur. Il convient cependant de noter que le circuit utilisé sans précaution conduit au bout de très peu de temps à une tension de sortie à saturation n'ayant plus aucune relation avec le signal d'entrée. L'intégration devra donc être strictement limitée dans le temps (de l'instant 0 à l'instant t) de telle sorte que VS< reste < la tension d'alimentation VCC du dispositif et les applications devront évidemment tenir compte de cette contrainte, et généralement un circuit de remise à zéro de l'intégrateur et destiné à décharger le condensateur devra être activé très régulièrement. La seconde remarque est que la charge d'un condensateur est un phénomène non linéaire qu'on ne peut approximer à une droite que pour des faibles valeurs de la charge ce qui milite évidemment encore plus en faveur de la présence d'un circuit de RAZ fréquemment activé.


fig. montage intégrateur de base

Précisons que le circuit de RAZ est constitué généralement à l'aide d'un transistor MOS convenablement polarisé et qui selon la valeur de la tension de polarisation (entre grille et source) sera équivalent soit à une résistance infinie soit au contraire à un court-circuit (ou du moins une résistance de très faible valeur) un circuit de type multivibrateur assurera alors la fonction de contrôle de ce commutateur MOS.

intensificateur d'image

Dans un certain nombre de dispositifs d'imagerie on se retrouve confronté au problème de l'extrème faiblesse de l'intensité du rayonnement à analyser, ce qui justifie l'emploi d'intensificateurs d'image. On distingue les intensificateurs conventionnels et ceux plus récents dits à galettes de microcanaux.
intensificateur conventionnel
Dans ce type d'intensificateur une photocathode soumise à un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à une valeur critique, émet un flux d'électrons par effet photoélectrique. Ceux-ci sont accélérés par un champ électrique et viennent alors former une image plus intense sur un écran (anode).


Cependant chaque photon venant frapper la cathode peut au plus arracher un électron et l'efficacité de celle-ci n'est environ que de 10%, c'est à dire qu'au mieux un photon sur dix provoque l'émission d'un électron. De plus sur l'anode environ 30% de l'énergie des électrons reçus va être transformée en lumière.En dépit de ces pertes, la luminosité de l'image est néanmoins augmentée car l'énergie de chaque électron émis peut être multipliée par un facteur de plusieurs milliers. Cependant il n'est pas possible d'augmenter indéfiniment la différence de potentiel qui accélère les électrons car au delà d'une valeur limite des charges traversent spontanément le petit espace séparant la photocathode de l'anode et le courant résultant de l'effet photoémissif se trouve alors noyé dans un bruit supérieur. On ne peut non plus augmenter fortement la distance entre les deux électrodes car alors c'est la résolution spatiale de l'image qui sera dégradée. C'est pourquoi on a développé le concept de galette de microcanaux.

galette de microcanaux
Un tel dispositif se présente sous la forme d'une plaque de verre à forte teneur en plomb constituée de la juxtaposition de multiplicateurs tubulaires élémentaires (microcanaux) de diamètre typiquement 12.5 ou 31 µm. Une métallisation des deux faces assure la mise en parallèle électrique des canaux et permet d'appliquer sous vide une différence de potentiel de plusieurs kV aux bornes de la galette laquelle présente une résistance électrique de plusieurs centaines de mégohms.

Pour garantir le choc des électrons sur les parois internes des tubes on incline légèrement (15° environ) l'axe des microcanaux par rapport à la perpendiculaire des faces d'entrée. Le matériau à l'intérieur des tubes est défini en fonction de ses propriétés d'émission secondaire. Ce sera généralement du nichrome. A chaque choc d'un électron avec la paroi plusieurs électrons secondaires sont émis ce qui en une dizaine de choc va produire un gain en courant de l'ordre de 104 et plus.


Le phénomène de l'émission secondaire est utilisé depuis soixante ans dans les photomultiplicateurs : dans ce cas les chocs sont localisés sur des électrodes (dynodes portées à des potentiels positifs croissants) disposées de manière à ce que les électrons quittant une dynode se dirigent vers la suivante. Dans la galette de microcanaux cette cascade d'électrons est confinée à l'intérieur des canaux (on peut parler de dynode continue). Cette continuité permet de multiples trajectoires électroniques et par suite une dispersion de l'amplitude des impulsions en sortie du multiplicateur. Par contre le faible diamètre des canaux garantit une bonne résolution spatiale.


Notons que ces galettes de microcanaux sont également sensibles aux ions, aux rayonnement et .

galettes semiconductrices courbes
L'une des limitations des galettes de microcanaux est la pression résiduelle régnant dans les canaux, les atomes de gaz résiduels peuvent être ionisés provoquant un courant de bruit parfois important, on est donc obligé de limiter la tension pour réduire ce phénomène et donc in fine le gain du multiplicateur. C'est pourquoi une autre approche a été envisagée exploitant des tubes d'oxyde semiconducteur courbés permettant de réduire la longueur de la trajectoire d'un électron entre deux parois, donc sa probabilité de rencontre d'un atome hors de la paroi. Des gains de 106 sont alors possibles.

intrinsèque : se dit d'un matériau semiconducteur théoriquement pur, c'est à dire non dopé par opposition à extrinsèque (voir extrinsèque).

isotropie : C'est la caractéristique de certains cristaux ou matériaux qui possèdent des propriétés mécaniques, optiques et/ou électriques identiques quelle que soit la direction considérée. Le verre à vitre et d'une façon générale les matériaux amorphes sont typiquement des matériaux isotropes.

J
joints de grain : Dans un matériau cristallisé, l'existence même de cristaux différents, mais de même structure basique typique du matériau, implique que ces cristaux possèdent des orientations différentes (sinon ils seraient confondus en un seul monocristal). Il en résulte la présence de limites assurant la jonction entre deux cristaux voisins. Ces zones limites sont nécessairement distordues puisqu'elles relient deux cristaux d'orientation différente. On les appelle des joints de grain et il convient de noter que ces zones ont une grande importance dans les propriétés physiques des matériaux puisqu'elles vont généralement introduire des perturbations locales des champs électriques et par suite des trajectoires électroniques et donc de toutes les propriétés liées (électriques, magnétiques, optiques...).


fig. micrographie d'une couche mince d'argent montrant des grains de taille variable et totalement désorganisés

Les joints de grain ont aussi une influence sur les propriétés mécaniques et chimiques. Notons que le plus souvent les impuretés dans un métal vont se retrouver à la périphérie des cristaux et donc au niveau de ces joints de grain et selon la nature de ces impuretés le résultat pourra être bénéfique ou non. Ainsi dans l'acier une relativement faible proportion de chrome va se retrouver au niveau des joints de grain et ainsi entourer les cristaux de fer d'une enveloppe protectrice contre l'oxydation d'où la notion d'acier inoxydable.

jonction : le terme de jonction désigne dans les semi conducteurs la zone interface limite entre deux types, différents par leur dopage, de semi conducteurs. Technologiquement on ne sait pas réaliser la jonction matérielle entre deux semi conducteurs différents. On procède en général :
  • soit par diffusion à partir de la surface d'un dopant différent dans un semi conducteur préalablement homogène ce qui conduit à des jonctions relativement étendues, c'est à dire une transition entre un semiconducteur de type P et l'autre de type N s'étendant sur une épaisseur de plusieurs microns (ce qui en microélectronique est souvent considéré comme énorme),
  • soit par épitaxie, c'est à dire par dépôt physique du semi conducteur, N par exemple, sur un substrat de type opposé. On obtient alors des jonctions abruptes s'étendant sur une épaisseur de quelques nanomètres mieux adaptées à certaines applications.
    • K
    L
    laser : il s'agit d'une source de lumière monochromatique très particulière dite cohérente. Le mot « laser » est un acronyme de l’anglais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ».

    principe :

    On considère un système à 2 niveaux d'énergie E1, E2 avec E2>E1. Seul le niveau E1 est normalement peuplé d'électrons.
    Un photon incident d'énergie h21 =E2-E1 peut exciter un électron de E1 et l'amener sur E2: il y a absorption d'énergie lumineuse. Cet électron peut ensuite retomber de lui-même sur E1 en émettant un photon d'énergie h12 : c'est l'émission spontanée de lumière. Mais un autre phénomène peut se produire: un photon h12 qui pénètre dans le milieu possédant des électrons excités sur le niveau E2 va provoquer la chute de ces électrons sur le niveau E1 avec émission stimulée de photons de même énergie. Photon incident et photons émis sont alors en phase : la lumière émise est cohérente et monochromatique, comme les signaux émis par les oscillateurs radioélectriques.

    Pour obtenir un laser, il faut donc qu'un flux de photons, eux-mêmes cohérents d'énergie h12, interagisse avec le milieu ayant deux niveaux distants de h12, et dans lequel on a effectué ce qu'on appelle improprement une inversion de population, c'est à dire dans lequel on a peuplé le niveau E2 au détriment de E1 (semi conducteur hors d'équilibre). Il faut en outre que cette surpopulation soit entretenue et suffisante pour que l'émission stimulée compense largement l'absorption et soit beaucoup plus forte que l'émission spontanée. E2 est un niveau excité à longue durée de vie (entre 10-9 et 10-3s) tandis que E1 sera évidemment le niveau fondamental.

    Il existe donc un seuil pour la puissance d'excitation (fournie par l'opérateur pour créer l'inversion de population) pour obtenir le fonctionnement du système sur le mode laser. S'il n'est pas atteint on n'obtient qu'une émission spontanée incohérente. On abaisse ce seuil en plaçant le matériau entre deux miroirs qui font recirculer le flux de photons plusieurs fois dans le matériau tout en restant en phase.

    Il faut donc réaliser: Le niveau maximum du flux de photons produits (dont une partie quitte le laser en traversant l'un des miroirs dont le pouvoir réflecteur est légèrement inférieur à l'unité) se fixe de lui-même à une valeur telle que le gain dû aux passages multiples des photons entre les deux miroirs (qui accroissent l'efficacité du processus d'émission stimulée) compense exactement les pertes (comme dans un circuit oscillant classique), c'est à dire les pertes par absorption (qui redonnent des électrons excités), les pertes par "fuites" optiques en dehors de la cavité (dues à la diffraction) et flux utile sortant à travers l'un des miroirs pour aller vers l'utilisation. Précisons qu'une caractéristique fondamentale du laser est que le faisceau utile est parfaitement parallèle (dès lors que l'épaisseur de la zone active est grande devant la longueur d'onde).

    laser à jonction p-n à l'AsGa

    Comme pour les diodes électroluminescentes, les diodes laser les plus utilisées sont des jonctions p-n, travaillant avec de fortes injections en direct. Les matériaux les plus courants sont l'AsGa et ses composés ternaires du type Ga Asx P&-x. La cavité résonnante est de type Fabry-Pérot, formée par deux plans parallèles parfaitement polis (deux faces opposées d'un cristal semiconducteur) recouverts d'un revêtement permettant d'obtenir le pouvoir réflecteur souhaité.

    Les deux autres faces sont rendues rugueuses pour éviter l'effet laser dans une direction perpendiculaire à celle souhaitée. Les jonctions sont obtenues avec des dopages très importants (1018 à 1019/cm3). Le niveau de Fermi se trouve dans la bande de conduction côté n et dans la bande de valence côté p. L'écart WF-WC est important.

    Par suite lorsqu'on polarise la jonction en direct, un flux important d'électrons envahit la zone p+, où ils peuvent retomber sur les niveaux vides situés entre WF et WV en émettant des photons h12=Wg.

    La région active est essentiellement la zone de transition d'épaisseur faible (puisque le dopage est élevé des deux côtés) de l'ordre de 1µm et le gain maximum est obtenu dans le plan de la jonction : le faisceau émis sera donc très mince.

    Lorsqu'on fait croître le courant (en augmentant V) on a d'abord une émission classique de DEL dans toutes les directions (émission spontanée), puis lorsque le seuil est atteint l'émission devient unidirectionnelle et la diode émet un faisceau plat de lumière cohérente. Ce seuil correspond à des densités de courant de 103 à 104 A/cm2 et est plus élevé à 300K qu'à 77K. Notons que la qualité du matériau joue un rôle fondamental dans la valeur du seuil, ainsi en 1970 pour obtenir le même résultat on avait des seuils plus de 10 fois plus élevés. L'intensité nécessaire pour démarrer l'effet laser est Jseuil = A [ a + (1/L) Log (1/R)] où A est une constante, a le coefficient d'absorption du matériau pour les photons h12, L est la longueur de la cavité et R =(R1R2)1/2 avec R1 et R2 coefficients de réflexion des miroirs. Donc pour abaisser le seuil il faut diminuer a ou augmenter L

    Les propriétés du rayon laser, en particulier sa fréquence lumineuse, dépendent en bonne partie du milieu matériel entre les deux miroirs. On a ainsi une grande variété de lasers : à gaz (hélium-néon, CO2, etc.), à solides (rubis, néodyme, etc.), à liquides, à colorants, à semi-conducteurs. Les lasers peu puissants (hélium-néon photo ci-dessus) fournissent en général un faisceau en continu , tandis que d’autres sont très puissants mais ne délivrent que des impulsions brèves.

    La gamme de longueurs d’onde possibles est très étendue. Les diodes laser qui équipent les lecteurs de CD, fonctionnent dans le rouge ou l’infrarouge, mais récemment le bleu a été atteint. Cela permet d'imaginer des CD/DVD contenant encore plus d’informations sur une même surface puisque, en effet, la taille minimale de la tache produite par un rayon lumineux est, à cause des phénomènes de diffraction, de l’ordre de la longueur d’onde, et que la longueur d’onde du bleu est environ la moitié de celle du rouge. D’autres dispositifs, sensiblement plus volumineux, fonctionnent en ultraviolet ou rayons X.

    À cette multiplicité des lasers correspond une grande diversité de leurs applications : scientifiques mais aussi lecture de codes-barre dans les supermarchés, traitements ophtalmologiques, découpe de tissus, mesure précise de distances, détection de polluants atmosphériques, holographie, communications par fibres optiques, imprimantes d’ordinateurs, lecteurs-graveurs de CD/DVD, etc.

    latch : En électronique logique il est fréquent de devoir maintenir une information binaire présente pendant un temps indéterminé sur une ligne mono ou multifils. Ce sera par exemple le cas du signal (chip select) qui doit sélectionner un circuit ou d'un signal d'adresse sur un bus qu'on doit maintenir pendant toute la durée d'une écriture ou d'une lecture de donnée à cette adresse. La plupart du temps le dispositif logique qui génère ce signal est immédiatement exploité pour une autre fonction et ne peut servir à maintenir cette information. On va donc utiliser pour cette fonction un circuit dit latch comportant un ou des amplificateurs assurant le maintien de l'information tant qu'on ne leur intimera pas l'ordre inverse, c'est à dire ayant un fonctionnement proche de la bascule D.

    Un latch (on emploie parfois de manière erronée le terme de buffer ou de tampon) présente en général 3 états potentiels de sortie : un niveau 1, un niveau 0 et un niveau dit à haute impédance qui permet de réaliser une isolation temporaire entre deux lignes (c'est à dire en gros de jouer un rôle d'interrupteur). Un buffer n'est qu'un amplificateur sans la capacité de verrouillage du latch.

    logique combinatoire : La logique combinatoire est la partie de l'électronique digitale qui se consacre à l'étude de l'association de circuits booléens dans le but de réaliser des fonctions statiques, caractérisées par le fait qu'à une combinaison d'entrées correspond un résultat unique invariant tant qu'aucune modification des entrées ne survient. Et réciproquement dès qu'une entrée change d'état son effet éventuel sur la sortie est immédiat. Ainsi un signal parasite peut provoquer une catastrophe.

    voir chapitre module logique

    logique séquentielle : Par opposition à la logique combinatoire, en logique séquentielle le facteur temps intervient par le biais d'un signal d'horloge et le résultat d'une combinaison va dépendre non seulement du circuit et de l'état des entrées, mais aussi de celui des (ou de la) sortie(s) juste avant leur prise en compte déclenchée par le signal d'horloge. En d'autres termes toute modification d'une entrée ne peut avoir d'effet avant l'action du prochain signal d'horloge. Ainsi des signaux parasites apparaissant et disparaissant dans l'intervalle de temps entre deux signaux d'horloge successifs ne seront pas pris en compte.

    Notons que les fonctions les plus élaborées font généralement appel à des combinaisons de circuits combinatoires et de circuits séquentiels.

    voir chapitre module logique
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