Transistors

TransistorsBases de l’électroniqueEric PERONNIN

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GénéralitésDeux grandes familles de transistors

2

Transistor bipolaire

Transistor à effet de champ

NPN PNPJFET, MESFET

Mode appauvrissement

Enrichissement

N-ch P-chTransistor IGBT

dans un circuit intégré :

MOSFET

AppauvrissementMode

NMOS PMOS NMOS PMOS

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GénéralitésDeux modes d’utilisation des transistors En « tout ou rien », commutation :

Circuits intégrés numériques. Alimentations à découpage, onduleurs. Amplification numérique.

En analogique : Briques de bases des circuits intégrés analogiques (dont

l’amplificateur opérationnel) ou des amplificateurs à composants discrets :– générateur et miroir de courant,– amplification différentielle,– amplification en courant ou en tension.

Fonctions de traitement du signal en analogique :– linéaires : addition, soustraction et multiplication …– non-linéaires : conversion exponentielle, logarithmique …

3

Transistor bipolaire :présentation – approche grands signauxBases de l’électroniqueEric PERONNIN

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Trois zones dopées : NPN ou PNPAssociation de trois zones dopées : Exemple du transistor NPN

Symboles et conventionsNPN PNP

5

Silicium P

SiO2

N

Collecteur EmetteurBase

P N+ Réalisation typique des

premiers transistors bipolaires

Base

Collecteur

Emetteur

Base

Emetteur

Emetteur

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Modes de fonctionnement2 jonctions 4 modes de fonctionnement possibles

Dans les modes 1 et 2, le transistor peut être vu comme un interrupteur commandé (parfait en 1ière approche)

6

Mode Jonction BE Jonction BC

1. Bloqué Bloquée Bloquée Le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert.

2. Saturé Passante Passante Le transistor se comporte comme un interrupteur fermé.

3. Amplificateur Passante Bloquée Le transistor fonctionne en amplificateur de courant quasi-linéaire.

4. Amplificateur dégradé

Bloquée Passante Idem mais en mode inversé et aux caractéristiques dégradées.

Base

Collecteur

Emetteur

Base

Collecteur

Emetteur

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Etude du transistor NPNRéseau de caractéristiques en mode émetteur commun Schéma de mesure

entrée : jonction Base-Emetteur sortie : tension Collecteur-Emetteur

Tracer de 3 réseaux de caractéristiques plusieurs caractéristiques à dans le plan

caractéristiques de sortie plusieurs caractéristiques à dans le plan

caractéristiques de transfert en courant

caractéristiques d’entrée (jonction base-émetteur) dans le plan

7

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Transistor NPN en émetteur communCaractéristique d’entrée

8

Transistor MAT04Analog Devices On retrouve la caractéristique

exponentielle de

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Transistor NPN en émetteur communCaractéristiques de sortie

9Jonction Base-Emetteur passante – Jonction Base-Collecteur bloquée

Jonction BE passanteJonction BC passante

Transistor MAT04Analog Devices

Zone de fonctionnement linéaire effet transistorZone de saturation

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Transistor NPN en émetteur communCaractéristiques de transfert

10

Amplification en courant

ici :

Transistor MAT04Analog Devices

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Fonctionnement dans la zone de saturationTension de saturation :

Le coefficient d’amplification en courant change :

Réduire augmenter pour un courant souhaité.Pertes dans le transistor saturé : Diminuer permet de limiter les pertes par

conduction lorsque le transistor est saturé.

11

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Fonctionnement dans la zone de saturationExemple : commutation d’un relais 5v (3.75v min.) Caractéristique : bobine de Courant de fermeture minimum :

Choix pour Maille d’entrée :

12

D

R e la is43

12

V c c =5v

0

R B

V c c

0

I

I

B

C

VCEsat

VBE

Choix d’un NPN : BC546Ic=100mA max

BC546

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Déterminer si le transistor est bloqué ou saturéMéthodologie Identique à celle employée pour connaître l’état d’une

diode : remplacer le transistor par son modèle dans un état choisi (bloqué ou passant) et vérifier si les hypothèses se vérifient.

ATTENTION : le transistor peut être dans un 3ième état ne pas être bloqué n’implique pas qu’il soit saturé.

Modèles saturé/bloqué du transistor bipolaire

Base

Collecteur

Emetteur

Collecteur

Emetteur

BaseTransistor bipolaire bloqué Transistor bipolaire saturé

Valeurs typiques pour les calculs :

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Fonctionnement dans la zone linéaireEffet transistor

14

n

np1

2

3

Jonction Base-Emetteur passante :les électrons libres de l’émetteur migrent vers la base.Comme celle-ci est très fine, les électrons de l’émetteur s’y recombinent peu et le champ électrique les fait migrer vers le collecteur.Electrons passant de l’émetteur vers le collecteur (courant ).Electrons de l’émetteur se recombinant dans la base(courant ).Electrons minoritaires de la base migrant vers le collecteur (courant inverse de saturation de la jonction Base-Collecteur noté ).

1

3

2

Jonction Base-Collecteur bloquée

Jonction Base-Emetteur passante

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Fonctionnement dans la zone linéaireEquations résultantes

15

n

np1

2

3

Le transistor se comporte comme un nœud :Au niveau du collecteur, on a :

On pose où est le

coefficient d’amplification en courant du transistor et il vient :

d’où :

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Fonctionnement dans la zone linéaireEquations générales du transistor NPN en amplification Amplification en courant :

à la température ambiante, soit 25°C, on peut négliger :

Note : pour un MAT04 Analog Device à 25°Cavec de l’ordre de àOr double tous les 7°C, soit d’où pour le MAT04 : à 85°C, à 120°C

Somme des courants : Jonction Base-Emetteur (passante dans la zone

linéaire) :16

est le gain du transistor en inverse (amplification dégradée).

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Utilisation en microélectroniquePaire différentielle à émetteurs communs Transistors identiques (même , même ) Polarisation :

Entrées actives :

17

B1 B2

Q 2Q 1

I

R c R c

I

V s

VD D

C1 C2

II

I

V E E

loi des nœuds :maille d’entrée :

maille de sortie :courants collecteurs :

approximation :

montage symétrique Q1 et Q2 sont largement passant en l’absence de signal en entrée.

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Utilisation en microélectroniquePaire différentielle à émetteurs communs

18

On repart des courants collecteurs :

or la maille d’entrée donne :d’où :

Comme

et par symétrie :

En posant , il vient : et

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Utilisation en microélectroniquePaire différentielle à émetteurs communs

19

On termine en utilisant la relation de sortie :

et

soit :

en mettant en facteur au numérateur et au dénominateur, on trouve :

Finalement :

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Utilisation en microélectroniquePaire différentielle à émetteurs communs : analyse du résultat Constat : résultat dépendant uniquement de la

différence des entrées tension différentielle d’entrée :

20

Comparaison avec la linéarisation au premier ordre en prenant la tangente à l’origine :

Amplification différentielle

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Utilisation en microélectroniquePaire différentielle à émetteurs communs : analyse du résultat Limite principale :

le gain différentiel est limité car le produit est limité par la polarisation.Fonctionnement linéaire jonction Base-Collecteur bloquée– soit ou encore – or, à la polarisation : – et en régime variable, il faut assurer une dynamique maximale en

conservant la jonction Base-Collecteur bloquée. Cela conduit à respectersoit

Amélioration : utilisation de charges actives à la place des

résistances– voir miroir de courant dans la suite du cours. 21

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Utilisation en microélectroniqueMiroir de courant

22

I

V E E

Q 2Q 1

II

I

B2B1

IN OUT

IC1 IC2

Modèle de baseOn considère les transistors identiques donc :et

Or donc

Améliorations possibles : - diminuer l’écart induit par , - permettre d’avoir .

A l’entrée :

Or donc :

Pour ,

d’où le nom de miroir de courant.

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Utilisation en microélectroniqueMiroir de courant à courants multiples

23

En multipliant la surface de l’émetteur de Q1 et/ou Q2 :

Le courant de saturation inverse d’un transistor est proportionnel à la surface de son émetteur.

Pour plus de précision, on préfère l’approche ci-contre.

I

V EE

Q 2Q 1

II

I

B1 B2

OUTIN

IC1 IC2

A 1

I

V E E

Q 2Q 1

II

I

B1 B2

I

OUTIN

C1 IC2

Q 1 '

IC1'

En multipliant le nombre de transistor d’un côté, on change le rapport des courants :

On montre aisément que si les transistors sont rigoureusement identiques :

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Utilisation en microélectroniqueMiroir de courant de Wilson

24

I

V E E

Q 1Q 3

II

IIN

B3 B1

I

OUT

IC3 C1

Q 2

On montre aisément que :

On a diminué l’écart entre courant d’entrée et de sortie induit par le fait que ne soit pas infini.

L’étude du rapport entre et n’est pas suffisante pour apprécier les qualités d’un miroir de courant.Il faut également s’intéresser à la résistance interne du générateur de Norton pour .

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Utilisation en microélectroniqueMiroir de courant utilisé en charge active dans une paire différentielle

25

B2B1

Q 2Q 1

I IC1 C2

II

I

V E E

Q 4Q 3

I s

VD D Miroir de courant utilisé en charges actives :- à la polarisation, les transistors Q1 et

Q2 voient des courants identiques,- en régime variable, Q3 et Q4

présentent une résistance dynamique très élevée amplification différentielle élevée.

La sortie s’effectue en courant et on montre que

Il faut ensuite un second étage de conversion courant/tension pour lui succéder et obtenir une information en tension.

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Utilisation en microélectroniqueSource de courant on vient de le voir, la paire différentielle nécessite une

polarisation via une source de courant. La source de courant est par conséquent un élément important en microélectronique.

26

VD D

RI

VEE

VZ

Z

DR

Idée de base

Inconvénients :- solution inutilisable avec des

processus de fabrication standard pour lesquels

R élevée coût silicium élevé on doit pouvoir faire mieux !

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Utilisation en microélectroniqueSource de courant

27

Première amélioration : remplacement de la diode zener par une jonction BE de transistor.Déjà vu :

Ici :

soit :

Application numérique avec des valeursclassiques dans un circuit intégré :

VD D

R

I

V EE

Q 2Q 1

IIB1 B2

I

OUT

IN

IC1

Trop exigeant en surface silicium. On peut diviser en multipliant les transistors Q1 mais ce sera

insuffisant.

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Utilisation en microélectroniqueSource de courant

28

Seconde amélioration : source de courant de Widlar (concepteur du premier amplificateur opérationnel).On suppose qu’on connait les courants d’entrée et de sortiepuisqu’ils constituent le cahier des charges.Les transistors ayant des courants de fuite identiques etconsidérant :

On montre que :

ce qui permet de calculer .On déduit ensuite aisément et on montre que la sommede est bien moindre que dans le cas précédent.

Il faut encore s’intéresser à la résistance interne de la source de courant en sortie.

I

V E E

Q 2Q 1

I I

I

B2B1

IN OUT

IC1 IC2

R 1

R 1

VD D

Transistor MOSFET :présentation – caractéristiquesBases de l’électroniqueEric PERONNIN

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GénéralitésDeux grandes familles de transistors

30

Transistor bipolaire

Transistor à effet de champ

NPN PNPJFET, MESFET

Mode appauvrissement

Enrichissement

N-ch P-chTransistor IGBT

dans un circuit intégré :

MOSFET

AppauvrissementMode

NMOS PMOS NMOS PMOS

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GénéralitésMOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor :

Transistor à effet de champ à grille isolée.Vu de l’extérieur : Rien ne le différencie d’un transistor bipolaire. 3 broches :

Drain (D)

Grille (G)ou

« Gate »Source (S)

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MOSFET : généralitésDivers symboles : Symboles et conventions des MOSFETs à enrichissement

MOSFET NMOSFET P

Grille

Drain

Source

Grille

Drain

SourceMais aussi :1 1

1 : MOSFET réels intègrent souvent une diode supplémentaire.

2 2

2 : Représentation adoptée dans les circuits intégrés.

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Transistors bipolaire et MOSFETQuelles différences ? Points communs ?

Silicium P

SiO2

N

CollecteurEmetteur

Base

P N+Silicium P

SiO2

Grille

SiO2

N+

Source Drain

N+SiO2SiO2

Substrat1

SiO2SiO2

MOSFET NBipolaire NPN MOS plus petit et plus simple à fabriquer.

Substrat relié à la source en général. SiO2 isolant Grille isolée alors que .

SiO2

MétalOxyde de Silicium

1 : Substrat ou « Body » ou « Bulk »

Grille

Drain

Source

Base

Collecteur

Emetteur

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Transistors bipolaire et MOSFETQuelles différences ? Points communs ?

Différence importante à l’entrée :

Forte similitude à la sortie :

Grille

Drain

Source

Base

Collecteur

Emetteur

Un transistor bipolaire se commande en courant.

Un transistor MOSFET se pilote en tension !

www.geii.eu 35

0 1 2 3 4 5 6 7 80.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

Caractéristique de transfert du MOSFET NZonebloquée

G

D

S

Zone passante

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0 1 2 3 4 5 6 7 80.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

Caractéristique de transfert du MOSFET NZonebloquée

G

D

S

Modèle du MOSFET bloqué

G

D

S

Zone passante

www.geii.eu 37

0 2 4 6 8 10 12 14 160.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

Caractéristique de sortie du MOSFET N

G

D

Schoisi :

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0 2 4 6 8 10 12 14 160.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

Caractéristique de sortie du MOSFET NZoneohmique

G

D

Schoisi :

www.geii.eu 39

0 2 4 6 8 10 12 14 160.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

Caractéristique de sortie du MOSFET NZoneohmique Régime de saturation

G

D

Schoisi :

www.geii.eu 40

0 2 4 6 8 10 12 14 160.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000


G

D

S

Modèle du MOSFET en zone ohmique

G

D

Schoisi :

www.geii.eu 41

0 2 4 6 8 10 12 14 160.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000


G

D

S

Modèle du MOSFET en régime de saturation de courant

G

D

Schoisi :

www.geii.eu 42

BS 170

0V

Utilisation du MOSFET en commutationOn souhaite alimenter une charge en commutation.

Comment connaître le mode defonctionnement du MOSFET ? Remplacement par son modèle bloqué :

La tension d’alimentation est de peut prendre les valeurs et .

0V

Loi des mailles à la sortie :

car .Donc :

Conclusion : le transistor est bloqué pour et passant pour .

Le transistor est bloqué.

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Utilisation du MOSFET en commutationLa transistor est passant pour . Mais dans quelle zone ?Pas de courbe donnant dans la datasheet du BS170G on ne peut pas

utiliser le modèle équivalent en zone ohmique.Plus simplement.Lecture du courant maximum que le BS170G peut fournir en saturation de courant pour :Expression du courant dans le circuit :

BS 170

0V

Maille de sortie :

Le transistor est en zone ohmique.Recherche du point de fonctionnement : est la droite de charge du transistor.

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Utilisation du MOSFET en commutationRésultat Point de fonctionnement obtenu

Puissance dissipée en conduction continue

Compatibilité avec les spécifications maximales

Transistor MOSFET :comprendre son fonctionnementBases de l’électroniqueEric PERONNIN

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MOSFET bloqué : approche qualitative

Par construction, le MOSFET possède deux diodes.

Silicium P

SiO2

N+

DGSiO2

SSiO2

N+SiO2SiO2

Substrat

Substrat et Source reliés seule une diode subsiste, en inverse par rapport à .

MOSFET bloqué

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Augmentation lente de charges positives sur côté métal, négatives côté substrat.Substrat de type P tant que , la zone entre drain et source reste de type P

Silicium P

SiO2

N+

DGSiO2

SSiO2

N+SiO2SiO2

Substrat+ + + + +- - - - -+ + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + +

+ + + + +- - - - -

SiO2

G+ + + + ++ + + + +

Substrat

Comportement d’une diode en inverse :

Capacité MOS

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le MOSFET se comporte comme un interrupteur ouvert pour .

Silicium P

SiO2

N+

DGSiO2

SSiO2

N+SiO2SiO2

Substrat

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MOSFET passant en zone ohmique

Lorsque dépasse , un canal riche en électrons libres se forme.

Silicium P

SiO2

N+

DGSiO2

SSiO2

N+SiO2SiO2

Substrat

Canaldans la « zone d’inversion »

drain et source sont alors séparés par une résistance notée un courant peut circuler du drain vers la source.

est appelée tension de déclenchement.

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Silicium P

SiO2

N+

DGSiO2

SSiO2

N+SiO2SiO2

Substrat

Canal

Lorsque continue à croitre, le canal s’enrichit1 en électrons sa conductivité augmente2 diminue.

1 : d’où le nom de MOSFET à enrichissement.2 : sa résistivité diminue.

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Le MOSFET fonctionne dans sa zone Ohmique1

état passant du fonctionnement en commutation.

1 : on parle aussi de zone linéaire ou triode en référence au tube qui a précédé le transistor.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.000

0.100

0.200

Pente :

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Limite du fonctionnement en zone ohmique

Or Soit :

Grille

SiO2

Canal

Canal existe ici si canal existe ici si

DrainSource

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Limite du fonctionnement en zone ohmiqueGrille

SiO2

DrainSource Canal

Pincement du canal (Pinch-off)

Or Soit :

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Au delà de la zone ohmiqueGrille

SiO2

DrainSource Canal

Pincement du canal (Pinch-off)

Si , MOSFET passe dans sa zone de saturation en courant1 nommée ainsi car à fixée, le courant n’évolue plus.

1 : également appelée « zone active » ou « zone de pincement ».

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