Chapitre 6Transistor bipolairePrincipe Fonctionnement en mode normal Gains Caractristiques statiques Fonctionnement en frquence

Science et gnie des matriaux, Romuald Houdr - 2006 /20071

Plan du cours1. Introduction - Caractristiques physiques des semiconducteurs - Quels Matriaux pour quel type dapplications

1/3 bases

2. Proprits lectroniques des semiconducteurs - Structure de bandes - Statistiques doccupation des bandes - Proprits de transport - Processus de recombinaison 3. Jonctions et interfaces - Jonctions mtal/semi-conducteurs - Jonction p-n lquilibre, Jonction p-n hors-quilibre

1/3 transport

4. Composants lectroniques - Transistors bipolaires - Transistors effet de champ - Dispositifs quantiques - Nouveaux matriaux 5. Composants optolectroniques - Dtecteurs

1/3 optique

- Diodes lectroluminescentes - Diodes lasers - Lasers mission par la surface - Lasers cascade quantique

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Un peu dhistoire et de futur

Premier circuit intgr (1 transistor) Jack Kilby, TI - 1958 Prix Nobel (2000) Dimension: 11x1.6mm3

Laser GaN 405 nm

http://www.blu-ray.com/players/

http://www.toshiba.co.jp/hddvd/eng/index.htm

4

Le transistor

Le transistor (contraction de transfer resistor) est un composant actif capable de modifier un signal par lapplication dun second. Une des applications la plus rpandue est lamplification

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Le transistor: fonctionsAnalogiques: Fonctions linaires pour transformer correctement les signaux (redressement,modulation) Lamplification qui est une fonction linaire particulire permettant dexploiter de faibles signaux Production de puissance pour transporter rapidement des signaux ou convertir ces signaux sous une autre forme dnergie (lumineuse, acoustique, mcanique, ...)

Logiques: Circuits combinatoires lorigine des blocs de calculs (numriques) Circuits squentiels lorigine des automates permettant dexploiter la notion dtat et dimplmenter de vritables algorithmes de calcul sur des circuits intgrs silicium La mmorisation de donnes

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Le transistor bipolaire: Points forts Forts courants (tage de sortie/puissance) Circuits logiques ultra-rapides Faible bruit (pr-ampli Hi-Fi) Linarit Faible tension de fonctionnement(0.7 V au lieu +/- 2V pour un MOS)

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Transistor bipolaire: principejonction p-n Jonction p+-nZCE

p+

n

np

pn

xp

xn

Conclusions des calculs du cours sur la jonction p-n : 1 - Le courant Js est essentiellement dtermin par l'injection des porteurs minoritaires

2 - Dans une jonction p+ - n, le courant dpend des trous et essentiellement de l'injection des trous dans la rgion n

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Transistor bipolaire: principeJonction p+-nZCE

Conclusions des calculs du cours sur la jonction p-n : 1 - Le courant Js est essentiellement dtermin par l'injection des porteurs minoritaires 2 - Dans une jonction p+ - n, le courant dpend des trous et essentiellement de l'injection des trous dans la rgion n 3 - Plus prcisment le rapport

p+

n

np -xp xn

pn

J p (x n ) Jn ( x p )

est constant (indpendant de V) et selon le choix de la structure peut tre trs grand ou trs petit

J s = J n ( x p ) + J p (x n )Admettre

J p (x n ) Dp pn 0 Ln Dp N A Ln = = J n ( x p ) Dn n p 0 L p Dn N D L p J p (x n ) Dp N A Ln th(d p Ln ) = J n ( x p ) Dn N D L p th(dn L p ) Dp N A d p Dn N D dn9

Note: dans le cas o l'paisseur d n'est pas >> longueur de diffusion

Transistor bipolaire: principeObjectif: contrler Jn qui est petit afin de contler Jp qui est grand Comment: en sparant ces deux courants dans deux boucles indpendantes Comment bis: en plaant une jonction n - p en inverse proximitC B E B E Composant constitu de trois rgions npn ou pnp10

Note: transistor npn le mme discours s'applique en intervertissant chaque fois n et p

C

Le transistor bipolaire: structurep+ n

p

L'metteur est imprativement plus dop que la base: dtermine le gain en courant du transistor. La base est une rgion extrmement mince: dtermine les proprits du transistor. Le collecteur est faiblement dop: permet au transistor de supporter des tensions leves.

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Le transistor bipolaireC B E B E Fonctionnement normal : la jonction metteur-base est polarise en direct, la jonction collecteur-base est polarise en inverse Fonctionnement bloqu : les 2 jonctions sont polarises en inverse Fonctionnement satur : les 2 jonctions sont polarises en direct logiqueNote: transistor npn le mme discours s'applique en intervertissant chaque fois n et p

C

analogique

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Transistor bipolaireLa vie d'un trou depuis l'metteur: 1 il passe la jonction metteur-base qui est polarise en direct 2 il se retrouve porteur minoritaire dans la zone neutre de la base, en rgime de diffusion 3 le champ lectrique de la jonction inverse base-collecteur happe les minoritaires qui parviennent jusqu' elle (base courte)

P-n-p

4 le trou redevient porteur majoritaire dans l'metteur et il continue son parcours jusqu'au contact. Idalement Imetteur = Icollecteur

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Transistor bipolaireLa vie d'un trou depuis l'metteur: Idalement Imetteur = Icollecteur La vie d'un lectron depuis la base: 1 il est porteur majoritaire dans la base et voit une grande barrire de potentiel vers le collecteur 2 il contribue uniquement au petit courant lectronique de la jonction directe metteurbase Le rapport entre ces deux courants est li et imposer l'un (Ibase) permet de controler l'autre (Imetteur)

J p (x n ) = Cst Jn ( x p )14

Le transistor bipolaire: gainMode normal Gain en courantIEp: trous issus de lmetteur ICp: trous dans le collecteur IEn: lectrons vers lmetteur venant de la base ICn: lectrons venant du collecteur par activation thermique IBB: lectrons de la base compensant les lectrons qui ce sont recombins avec les trous venant de E (IBB=IEp-ICp)

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Transistor bipolaire

I prop. courant d'lectrons minoritaires

I prop. courant de trous majoritaires

R

+

On verra plus tard comment on boucle rellement le circuit16

Le transistor bipolaireMode normal Gain en courantIE = IEp + IEn IC = ICp + ICn IB = IE IC = IEn + IEp ICp - ICn Un paramtre important est le gain = ICp/IE soitT facteur de transport de la base

= ICp/(IEp + IEn) = [IEp/(IEp + IEn)] (ICp/IEp)efficacit de lmetteur

doit tre le plus proche possible de 1

IEn doit tre le plus faible possible17

Le transistor bipolaireMode normal Gain en courantIE = IEp + IEn IC = ICp + ICn IB = IE IC = IEn + IEp ICp - ICn Un autre paramtre important est le gain en courant en metteur commun

= ICp/IE

ICp IC = = = IB IE ICp 1IEn doit tre le plus faible possible

doit tre le plus grand possible

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Le transistor bipolaireMode normal Gain en courantLes gains et dpendent de la gomtrie du transistor et des paramtres du semiconducteur tels que dopages (niveaux et profils) et de la dure de vie des porteurs minoritaires. On peut estimer selon la relation (pour un pnp):

Dp N A Ln th(d p Ln ) p N A Ln th(d p Ln ) = = = J n ( x p ) Dn N D L p th(dn L p ) n N D L p th(dn L p )De manire gnrale:

J p (x n )

p N A Ln th(d p Ln ) dn n N D

minoritaire,base = minoritaire,metteurChoisir npn plutt que pnp

N Emetteur N BaseEmetteur plus dop que la base

min(Lminoritaire,metteur ,dmetteur ) dBaseBase courte

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Le transistor bipolaireSchmas quivalents (b): Veb 0 et Vcb = 0. Ie est le courant d'une jonction p-n polarise par Veb (a) = (b) + (c)

Ie = Is1 e

qVeb kB T

1

Ie se distribue entre base et collecteur. Si la base est troite, les porteurs sont prfrentiellement happs par le champs de la jonction base-collecteur. Une petite portion se recombine et contribue au courant de base

Ic =

Ie =

e

qVeb kB T

1

reprsente le gain en courant direct tension collecteur-base nulle20

Le transistor bipolaireSchmas quivalents (c): Veb = 0 et Vcb 0. C'est le rgime inverse du prcdent Ic est le courant d'une jonction p-n polarise par Vcb (a) = (b) + (c)

Ic = Is2 e

qVcb kB T

1

De mme Ic se distribue entre base et metteur

Ie =i

i c

I =

i s2

I

e

qVcb kB T

1

reprsente le gain en courant inverse tension metteur-base nulle. Pour des raisons de dissymtrie des profils de dopage, il est beaucoup moins proche de 1 que

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Le transistor bipolaireSchmas quivalents (a) = (b) + (c)

Ie = Is1 e Ic =

qVeb kB T

1

i s2

I

e

qVcb kB T

1

e

qVeb kB T

1 + Is2 e

qVcb kB T

1

Equations d'Ebers-MollRemarque: il existe des dmonstrations plus rigoureuses et beaucoup plus longues22

Le transistor bipolaireModes dopration du transistor bipolaireIl existe 4 modes dopration qui dpendent de la polarit des tensions appliques aux jonctions metteur/base et collecteur base.

Mode dopration Rgime actif/normal Rgime satur Mode de coupure/ bloqu Mode invers

E/B Direct Direct Inverse Inverse

C/B Inverse Direct Inverse Direct

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Le transistor bipolaireModes dopration du transistor bipolaire

Distribution des porteurs minoritaires24

Le transistor bipolaireUtilisation du transistor bipolaire en rgime normalIE IB IC VCB VEB Base commune IB VBE Emetteur commun IB VBC Collecteur commun25

IC IE VCE

IE IC VEC

Le transistor bipolaireCaractristiques statiques Base communeCourant C en fonction de la tension entre B et C pour diffrents courants E

IC = IE+ ICB0

Rgion IC

IE

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Le transistor bipolaireCaractristiques statiques Emetteur commun

Rgion

200

IC =

IE+ ICB0 = En posant

(IB+ IC) + ICB0 = /(1- ) IB + ICB0/(1- ) = /(1- ) et ICE0 = ICB0/(1- )

IC =

IB + ICE0

= gain en courant en metteur commun

est proche de lunit donc

est trs lev27

Le transistor bipolaireDans un transistor idal, le courant Ic doit tre constant pour un courant IB donn lorsque VEC varie Or IBC augmente quand VEC augmenteAperu

En fait, IC n'est constant que si la largeur de la base est constante or La zone de charge despace entre B et C augmente lorsque VBC augmente, cad VEC En consquence, la largeur de la base diminue et le courant de diffusion (venant de lmetteur) collect travers la base est plus grand ( est plus lev)28

Le transistor bipolaire

tension de Early

Aperu

Cet effet est appel effet Early (1952) Si lon extrapole le courant Ic pour une valeur nulle, la tension VA ainsi dtermine est appele tension de Early . Plus VA sera lev plus la dpendance en tension du courant Ic sera faible

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Le transistor bipolaireComportement dynamique: rponse en frquenceDiffrents modes dopration possibles. Gnralement, les transistors Bipolaires fonctionnent en mode normal (direct/inverse) dans les circuits analogiques. En logique, les quatre diffrents modes sont utiliss

Aperu

Emetteur commun

IC =

IB + ICE030

Le transistor bipolaire

Aperu

On superpose un faible signal (qq A) appliqu la base (VBC ou IB) un signal continu (qq mA): le courant IE

IC =

IB + ICE0

Le courant IC est alors modul avec la mme frquence que IB: on a donc amplifi un signal alternatif

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Le transistor bipolaire

Aperu

Quand on applique une tension VEB, les courants IC est IB stablissent dans le transistor. Ils dfinissent le point de fonctionnement du transistor. Celuici dpend aussi de la rsistance de charge RL

VEC = VCC - RL IC

IC = (VCC-VEC)/RL

Ligne de charge varie en -1/RL32

Le transistor bipolaireComportement en frquencesLorsque le transistor fonctionne hautes frquences, il faut tenir compte des effets capacitifs. Ceux-ci proviennent des jonctions entre la base et lmetteur, et la base et le collecteur. Dans le circuit quivalent, il faut aussi tenir compte des diffrentes rsistances de la base et du collecteur La consquence de ces diffrents paramtres est lexistence dune frquence de coupure au-del de laquelle le transistor ne fonctionne plus correctement le gain diminue On peut crire avec0

=

0/(1

+j f/f )

gain en continu et fc la frquence de coupure0 (-3

f = f est dfinie =0.707

dB)

f frquence de coupure en base commune33

Le transistor bipolaire= /(1- ) =0/(1+j(f/f0)/f

))

f = frquence de coupure en metteur commun avec f