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Transistor BipolaireBJT
(Bipolar Junction Transistor)5
1947 : premier transistor à pointe
1950 : premier transistor à jonction
2
Les différents types de transistors
On distingue 2 grandes familles de transistor
– Transistors bipolaires : utilisent simultanément la conduction par trous et par électrons Transistors Bipolaires à Jonction
# BJT de type p ou n
– Transistors unipolaires : n’utilisent qu’un seul type de pôles, électrons ou trous Transistors à Effet de Champ
# à jonction = JFET
# métal-oxyde-semicondcuteur = MOSFET
3
Utilisations :
• amplificateur linéaire de courant
• commutateur logique 0/1: état bloqué/état saturé
Les
premiers
BJT
Transistors bipolaires
Il existe donc deux types de transistors bipolaires :
NPN et PNP
La flèche entre l’émetteur et la base est orientée dans le sens passant de la jonction
PN donc toujours de p vers n.
4
Les transistors à effet de champ
JFET (Junction Field Effect Transistor)
JFET à canal N (le plus utilisé de JFET)
• source : injecte les électrons
• drain : collecte les électrons
• grille : contrôle le flux d’électrons
• canal N, grille P+
• porteurs majoritaires :
électrons
• sens du courant : du
drain vers la source
• jonction grille canal
polarisée en inverse
Utilisations :
• résistance variable commandée par une tension
• courant commandé par une tension5
MOSFET 1959Transistor le plus employé de nos jours (multitude de types différents : à
canal N, à canal P, à appauvrissement, à enrichissement…)
Les électrons circulent de la source vers le drain ; le flux est contrôlé par le
potentiel de la grille qui opère ainsi comme un robinet.
porte logique : niveau logique de sortie 1 = niveau 1 sur la source
(=courant arrive en entrée) x niveau 1 sur la grille (= grille activée).
E-MOSFET de puissance à canal N
6
Transistors Modernes
7
Transistor bipolaire
Le transistor bipolaire correspond à la juxtaposition de deux
jonctions PN tête-bêche réalisées dans un même semiconducteur.
La connaissance d’une diode à jonction PN est nécessaire pour en
comprendre son fonctionnement
Matériau N
+
+
+
+
+
+
Matériau P
-
-
-
-
Matériau N
+
+
+
+
+
+
Le fait d’avoir deux jonctions très rapprochées confère à la structure
des propriétés autres que la simple juxtaposition de deux jonctions
tête-bêche8
Base
Em
ett
eu
r
-
-
-
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
ZCE ZCE
Transistor bipolaire NPN au niveau atomique
-
-
-
Co
llecte
ur
Le Transistor bipolaire
Les deux jonctions sont généralement appelées : «Emetteur-
Base» (E-B) et «Base-Collecteur» (B-C).
9
«L’ Emetteur » est en surface. Il est en
général fortement dopée.
Le «collecteur» est situé en-dessous de « la
base » .
Emetteur et collecteur sont réalisés dans un
même cristal et ont le même type de dopage
mais pas forcément le même type de dopant, ni
le même niveau de concentration.
Définitions et symboles
La structure est essentiellement tridimensionnelle mais on supposera
dans la suite pour simplifier l’étude théorique, un modèle unidimensionnel
dont l’orientation est perpendiculaire aux plans parallèles des jonctions E-B
et B-C.
Le collecteur est important dans les performances électriques du
transistor. Il faut donc minimiser la résistance interne de cette couche d’où
l’utilisation d’une zone très dopée.
Coupe d’un transistor bipolaire au niveau des jonctions
Emetteur
Collecteur
Base
10
N+
P N+
N
Con
cent
ration
des
impu
reté
s cm
-3
Profondeur mm
Le profil de dopage typique dans une
technologie de transistor bipolaire intégré est :
un émetteur très dopé,
une base moyennement dopée,
un collecteur constitué de deux zones
(faiblement dopée et très dopée).
Profil de dopage
11
Cas d’un transistor NPN
Eg
Base
B (p)
Emetteur
E (n)
Collecteur
C (n)
Diagramme d’énergie de la structure
à l’équilibre thermodynamique
Eg Eg
12
Cas d’un transistor NPN
Eg
Diagramme d’énergie de la structure
à l’équilibre thermodynamique
Base
B (p)
Emetteur
E (n)
Collecteur
C (n)
Eg
Eg
13
Cas d’un transistor NPN
qVbi1 qVbi2
Eg
Eg
Eg
Diagramme d’énergie de la structure
à l’équilibre thermodynamique
A l’équilibre thermodynamique (transistor non polarisé), les niveaux de
Fermi s’alignent.
Base
B (p)
Emetteur
E (n)
Collecteur
C (n)
14
Principe de Fonctionnement
En régime dit "normal" de fonctionnement
La Jonction B-C est polarisée en sens inverse : normalement JC ≈ 0 mais
Surprise : La jonction BC polarisée en inverse conduit le courant !!!
E dans Z.C.E. de la jonction
B-C
- Collecte des minoritaires
dans l’émetteur (deviennent
majoritaires en excès)
- Diffusion vers le contact
==> JC important
Emetteur BaseCollecteur
E B C
Polarisation directe polarisation inverse
faible fort
Entrée Sortie
car: la Jonction E-B est polarisée en sens direct ce qui implique :
–Injection de minoritaires dans
la base
–Base très fine : les
minoritaires atteignent la
jonction B/C sans
recombinaison
15
Distribution des porteurs minoritaires dans
un transistor bipolaire npn
La largeur de la base est plus petite que la
longueur de diffusion des porteurs minoritaires
Le champ électrique
injecte les électrons
dans le collecteur
ChampE
ChampE
Base
B
Collecteur
C
Emetteur
Enn0=NDE
pp0=NA
nn0=NDC
16
Modes de fonctionnement
Régime E-B C-B
Normal (actif) directe inverse
Mode le plus important, exemple pour
le fonctionnement de l'amplificateur
La région où les courbes de courant
sont pratiquement plat.
Saturation directe directe
Barrière de potentiel des jonctions
s'annulent mutuellement.
Idéal transistor se comporte comme
un interrupteur fermé.
Cutoff
(Bloqué)inverse inverse
Courant réduit à zéro.
Idéal transistor se comporte comme
un interrupteur ouvert
17
Emetteur
-
-
-
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Base Collecteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
Fonctionnement du bipolaire
Régime de conduction normal
On polarise la jonction E-B en direct ( 0,6V pour le silicium), il y aura
injection de porteurs depuis B vers E et depuis E vers la B.
Et on polarise la jonction C-B en inverse (plusieurs volts), les injections
de porteurs dues à cette polarisation sont très faibles et le champ
électrique dans la zone de charge d’espace est très élevé.
0,6v Plusieurs
volts
18
Diagramme d’énergie du transistor bipolaire
npn en Régime de conduction normal
Potentiel zéro Polarisation active
Dans le cas d’une jonction PN polarisée en direct dissymétrique (n+p), la
densité de courant injectée dans la région p est très supérieure à celle
injectée dans la région n.
Le but de la structure est donc de récupérer cette densité de courant
injectée par l’émetteur dans la base via un champ électrique (créé par la
polarisation inverse de la jonction C-B). Pour un transistor NPN le
courant collecteur sera proche du courant d’électrons injecté par
l’émetteur.
electrons
VEB
VCB
19
Effet transistor
Cas d’un transistor NPN
B CE
n=NDp=NA
Pn(0)
pn0=ni2/ND
np(0)
np0=ni2/NA
n=NDC
pn0c=ni2/NDC
E
champ
La densité de courant de trous injectée dans l’émetteur ne peut
provenir que de la base puisque le collecteur n’injecte pas de
trous dans la base.
Dans la jonction C-B le champ électrique capture tous les
électrons pour les propulser vers le collecteur (l’émetteur ayant
émis ces porteurs).
20
Emetteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Base Collecteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
Effet transistor
Les électrons injectés traversent la jonction BC
-
-
-
IcIe
21
qVbi2 + VCB
qVbi1 + VEB
EFp
EFnEFe
EFb
EFc
EC
EV
EC
EV
En régime de conduction normal, les niveaux de Fermi pour les électrons
et les trous ne sont plus identiques. On supposera toujours qu’au niveau
des contacts (émetteur et collecteur) le matériau semiconducteur retrouve
l’équilibre thermodynamique grâce aux échanges de porteurs avec le métal
i.e les niveaux de fermi se rejoignent.
Cas d’un transistor
NPN
Emetteur Base Collecteur Dans la zone de
charge d’espace de
la jonction E-B,
l’injection crée un
excès de porteurs ce
qui implique EFn>EFp
(chacun des niveaux
se rapproche de la
bande des porteurs
respectifs.)
Diagramme d’énergie du transistor bipolaire
npn en Régime de conduction normal
22
Dans le cas de la jonction C-B, c’est l’effet contraire (désertion accentuée par la
polarisation inverse) EFn<EFp.
La variation des pseudo-niveaux de Fermi se fera essentiellement dans les zones
où les porteurs sont en faible quantité donc dans les zones où ils sont minoritaires
(le courant restant constant, la diminution de la concentration est compensée par la
variation du gradient du pseudo-niveau de Fermi).
Le potentiel de l’émetteur est pris comme
référence. La différence totale correspond à la
somme algébrique des différences de potentiel
appliquée à la jonction E-B et à la jonction C-B.
On observe une diminution de la hauteur de la
barrière d’énergie pour les électrons injectés dans la
base et une augmentation de la chute d’énergie pour
les mêmes électrons au niveau de la jonction C-B.
Base
B
Collecteur
C
Emetteur
E
EFermi
Ev
Ec
électrons électrons
VEB
VCB
Régime normal
Pour les trous de la base, la hauteur de barrière a fortement augmentée.
Pratiquement aucun trou ne pourra rejoindre le collecteur.
La différence entre les deux niveaux de Fermi des majoritaires correspond à la
polarisation externe appliquée.
Effet transistor
23
Le but est de n’avoir aucune perte sur le parcours entre émetteur et
collecteur les recombinaisons vont jouer un rôle prépondérant. Il y a
trois types de recombinaisons importantes:
Recombinaisons dans l’émetteur :
Recombinaisons dans la ZCE de la jonction E-B :
Recombinaisons dans la base :
Effet transistor
Effet des recombinaisons
24
Recombinaisons dans l’émetteur
si l’émetteur est le siège de recombinaisons importantes le modèle à utiliser est celui de la diode longue. Seulement la densité de courant jp récupérée au contact sera à comparer avec celle injectée dans l’émetteur jpE. Le modèle de la diode longue a ainsi tendance à accroitre la pente du profil et donc à augmenter le courant de base sans pour autant augmenter le courant collecteur.
Effet transistor
Effet des recombinaisons
25
Emetteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Base Collecteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
Recombinaisons dans la ZCE de la jonction E-B :
Ici on a excès de porteurs dû aux injections par rapport à l’équilibre thermodynamique. La tendance est à la recombinaison : certains des porteurs quittant la zone quasi-neutre de l’émetteur n’atteindront pas la zone de base.
-
-
-
Ib
Effet transistor
Effet des recombinaisons
26
Emetteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Base Collecteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
Ib
Recombinaisons dans la ZCE de la jonction E-B :
Sur le parcours c’est l’injection de la base qui prend le relais et donc
le courant de base est augmenté. Cette densité de courant est
appelée Jrec.
Effet transistor
Effet des recombinaisons
27
Recombinaisons dans la base :
Si la recombinaison intervient dans la base, une fraction des
porteurs injectés depuis l’émetteur et pénétrant dans la base
disparaît dans cette zone.
Ces porteurs sont compensés par des trous arrivant au contact
de base.
La recombinaison augmente donc le courant de base sans
augmenter le courant collecteur : il affecte donc le gain. La
différence s’exprime par : JnE - JnC.
Effet transistor
Effet des recombinaisons
28
On appelle gain en courant le rapport entre le courant collecteur
et celui injecté depuis le contact de base dans la base.
Lorsque les dimensions de la base diminuent, le courant
d’électrons dans la base augmente. Si la base est trop longue par
rapport à la longueur de diffusion des porteurs (ici les électrons),
la densité de courant dans la base disparaît sans atteindre le
collecteur. Le courant collecteur est alors quasiment nul.
Effet transistor
Gain en courant
29
C
B
i
i
Emetteur Base Collecteur
iE iCiB
VBE VCB
Bilan des courants
Dans le cas du transistor NPN, les électrons générés sont envoyés vers le
collecteur et les trous vers l’émetteur. L’effet est donc de diminuer le courant
injecté depuis le contact de base et d’augmenter le courant collecteur
augmentation du gain. Cet effet apparemment bénéfique possède des limites
puisque ce courant n’est pas piloté par la jonction E-B.
Plusieurs composantes de courants
•Electron de derive E-B
•Electron de diffusion E-B
•Trous de derive E-B
•Trous de diffusion E-B
•Electron de derive C-B
•Electron de diffusion C-B
•Trous de derive C-B
•Trous de diffusion C-B
Ces composants,
sont les plus grands
(Discuter pourquoi les
autres sont petites.)
30
Courant inverse C-B : ce courant est
a priori très faible mais peut
cependant être fortement augmenté
par la présence de génération dans
la zone de charge d’espace de la
jonction C-B. Le champ électrique y
est très fort et tout porteur généré
est évacué.
Courant de Collecteur
( ) (0) 0
0
BEqV
n BEB kTC n BE n BE
B B
qD Adn x ni qD A qD A e
dx x x
BEqV
kTC Si I e
iC
Emetteur Base Collecteur
iE iCiB
VBE VCB31
iE1
iE2
Courant d’Emetteur Efficacité d’injection
Composantes du courant d’émetteur (NPN):
– Injection h+ minoritaires de B vers E
courant très petit
– Injection e- de E vers B :
Efficacité d’injection :
2 2
BEqV
kTE Si I e
1 2 2
BEqV
kTE E E C E SEi i i i i I e
1E Ci i
1
1 2
1CE
E E E
ii
i i i
Gain de courant base commune
iE
Emetteur Base Collecteur
iE iCiB
VBE VCB
32
iBR
Courant de la base
Trous injectés de B vers E : ip,ECourant de recombinaison dans B : iBRTrous générés dans Z.C.E. de jct. B/C (ionisation par impact)
Courant de fuite de la jonction B/C
C
B
i
i
Définition:
le gain classique du transistor bipolaire est le gain en émetteur commun qui signifie que l’émetteur est la borne commune au quadripôle équivalent comme représenté sur la figure.
Le gain, ß, s’exprime par:
Gain en courant du transistor
iB
ip,E
iE
Emetteur Base Collecteur
iE iCiB
VBE VCB
33
Base
B
Collecteur
C
Emetteur
E
Les limites
34
Région Base
Conditions aux limites:
2
2
0
( ( )) ( )0
( ) B B
B Bn
B
x x
L L
B
n x n xD
x
n x Ae Be
0B n BL D
0 0
0 0
( 0) ( 0) ( 1)
( ) ( ) 0
BE
B B
B B
qV
kTB B B B
x x
L L
B B B B B B
n x n x n n e A B
n x x n x x n n Ae Be
0 0 0 0( 1) ( 1),
2sinh 2sinh
B BBE BE
B B
x xqV qV
L LkT kTB B B B
B B
B B
n n e e n n e eA B
x x
L L
35
0 ( 1)sinh sinh
( )
sinh
BEqV
B BkTB
B B
B
B
B
x x xn e
L Ln x
x
L
0( ) ( 1) 1BEqV
B kTB B
B
nn x e x x x pour x
x
36
Région Emetteur
Conditions aux limites:
2
2
0
' '
( ( ')) ( ')0
'
( ') E E
E EE
E
x x
L L
E
p x p xD
x
p x Ce De
0B n BL D
( ' 0) ( ' 0) ( 1)
( ' ) 0
BE
E E
E E
qV
kTE E Eo Eo
x x
L L
E E
p x p x p p e C D
p x x Ce De
0
0
'( 1)sinh
( ')
sinh
( ') ( 1) ' 1
BE
BE
qV
EkTE
E
E
E
E
qV
E kTE E
E
x xp e
Lp x
x
L
pp x e x x pour x
x
Région Collecteur:''
0( '') C
x
L
C Cp x p e
37
Mode Bloquage:
Mode Saturation:
38
Mode polarisation inverse:
Mode direct actif:
39
nEJ
nCJ
RJ
pEJ
RBJ
GJ
pcoJ
•Flux d’Electron ateind le collecteur•Injection par diffusion des Electrons Minoritaires de l’émetteur vers base
•Injection des trous majoritaires de la base vers l’emetteur Trous générés dans
Z.C.E. de jct. B-C (ionisation par impact)
•Courant de fuite de la jonction B-C
•Recombinaison des électrons trous dans la Z.C.E. de la jct B-E Courant de recombinaison dans
B: (compensation des h+
consommés par la rec. avec e-)
-n- -p- -n-Ne contribuent pas au courant collecteur
Courant dela jonction B-C
Mode directe actif
E C
40
Mode directe actif
, , :
, :
RB pE R
pco G
J J J Courants dela jonction B E
J J Courants dela jonction B C
Ne contribuent ni à l’action
du transistor ni au gain
Base CollecteurEmetteur
41
Gain en courant de la base commune
0
0
nC G pCC
E nE R pE
J J JJ
J J J J
nnC
nE R pE
TnE E pE
E pE nEn
J
J J
J JJ
J JJ J
C nC
E nE R pE
J J
J J J J
Facteur d’efficacité d’injection de l’émetteur
Facteur de transport de la base
Facteur de recombinaison
42
43
Besoins pour les dispos bipolaires
•Fort gain
•Efficacité d’émetteur forte
•Vitesse élevée
Demandes et Problèmes d’un BJT
Demandes Problèmes
émetteur fortement dopéDiminution du Gap:
=> injection par la Base
Base peu dopée
Base étroiteForte résistance Base
Solution:Transistors Bipolaire à hétéro-jonction
•Emetteur fortement dopé en utilisant un SC à gap plus grand que celui de la Base
•Base peut être fortement dopée et étroite sans augmenter la résistance de base
•Collecteur peut être choisi tel que la tension de claquage soit élevée
44
Dispositifs Bipolaires
Si peut être combiné avec:
•Silicium amorphe (Eg=1.5 eV)
•SiC (Eg=2.2 eV)
•Polysilicium (Eg=1.5 eV)
TBH avec Si:
•Si/SiGe très prometteur
avec fréquence de coupure
de l’ordre de 100 GHz
TBH GaAs/AlGaAs
• ft =150 GHz
•Qualité de l’interface excellente
=> TBH de hautes performances
•Composants intégrés
monolithiquement avec dispo
optoélectronique
•InGaAs/InAlAS et InGaAs/InP
TBHs
•Les valeurs de ft > 180 GHz
•Accord de maille avec InP
•Intégration avec composants
optoélectroniques
•Filière GaN/AlGaN•Haute fréquence
•Évacuation thermique (puissance)
Logique saturée (intégration élevée)
•Integrated Injection Logic (I2L)
•Transistor-Transistor Logic (TTL)
Bipolaire : mémoires statiques
MOS : mémoires dynamiques
Combinaisons des 2 technologies:
On a l’avantage des 2:
=>fort développement
Propriétés HF, puissance
=> amplificateurs, convertisseurs A/N
Dispositifs Bipolaires: Applications
Applications numériques
•Les « dispos » sont utilisés en mode
saturé et non saturé
Applications mémoires
Applications Bi-CMOS
MMIC (Microwave Millimeter
Integrated Circuit)46
Propriétés technologiques
Base fine pour éviter les
recombinaisons
Base faiblement dopée pour limiter le
courant de trous
Emetteur fortement dopé pour favoriser
l’effet transistor
Composant contrôlé par le courant de
base : Ic = f(Ib)
Composant utilisant les porteurs
majoritaires et minoritaires
Composant utilisant la jonction BC en
inverse pour accélérer les électrons
majoritaires de l’emetteur
47
