Chap. 7 - Les transistors

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1 Chap. 7 - Les transistors ELEC283 MiEL 2003/04 2 Plan du chapitre Plan du chapitre 7.1 Le transistor: généralités 7.2 Le transistor MO utilisé en amplification 7.3 Le transistor bipolaire utilisé en amplification 7.4 Compléments Chap. 7 Les transistors ELEC283 MiEL 2003/04 3 1

2 Chap. 7 Les transistors 7.1 Le transistor: généralités ELEC283 MiEL 2003/04 4 énéralités 7.1 Le transistor: généralités L'invention du transistor en 1948 a lancé une véritable révolution technologique qui se poursuit aujourd'hui Le transistor est fondamentalement un composant qui peut être utilisé de deux manières différentes en amplification on a déjà illustré l'importance de la fonction d'amplification relève de l'électronique analogique (première partie du cours) en commutation base de toute l'électronique numérique (seconde partie du cours) ELEC283 MiEL 2003/04 5 énéralités 7.1 Le transistor: généralités Il existe deux "familles" de transistors répondant à des principes de fonctionnement différents les transistors bipolaires inventé en 1948 les transistors à effet de champ dominant aujourd'hui Parmi les transistors à effet de champ, il existe de nombreuses variantes nous expliquerons l'utilisation du transistor sur base du modèle le plus courant aujourd'hui: le NMO à enrichissement ELEC283 MiEL 2003/04 6 2

3 Chap. 7 Les transistors 7.2 Le transistor MO utilisé en amplification ELEC283 MiEL 2003/04 7 Plan du chapitre Plan du chapitre 7.2 Le transistor MO utilisé en amplification Transistor MO: propriétés de base Transistor MO: structure interne Etage amplificateur à transistor MO: principe [7.2.4 Etage amplificateur à transistor MO: calcul] Autres types de transistors à effet de champ Précautions d'utilisation des transistors à effet de champ ELEC283 MiEL 2003/04 8 3

4 Chap. 7 Les transistors Le transistor MO en amplification Transistor MO: propriétés de base ELEC283 MiEL 2003/04 9 Introduction Propriétés de base du transistor NMO Un transistor est un composant à trois bornes Les bornes du NMO (voir symbole ci-dessous) s'appellent le drain () la source () la grille () gate en anglais (drain) (grille / gate) (source) ELEC283 MiEL 2003/04 11 Introduction Propriétés de base du transistor NMO Compte tenu de l'existence de ces trois bornes, il existe plusieurs manières d'utiliser ce transistor ans de nombreux montages, on utilise la source comme référence de tension par rapport à la grille et au drain: on parle alors de source commune la source est connectée à la masse, servant de référence commune entre l'entrée et la sortie du montage voir aussi slide suivant ELEC283 MiEL 2003/

5 Introduction ans le montage à source commune on applique au transistor une tension V = tension "gate/source" considérée comme signal d'entrée et on recueille une tension V = tension "drain/source" considérée comme signal de sortie Propriétés de base du transistor NMO V in =V V =V out ELEC283 MiEL 2003/04 13 Introduction ans cette configuration, on peut assimiler le transistor à un quadripôle dont une des bornes (source) est commune à l'entrée et à la sortie Quelles sont les propriétés de ce composant/quadripôle? => caractéristiques caractéristique de transfert (I,V ) caractéristique de sortie (I,V ) Propriétés de base du transistor NMO V in =V I V =V out V V I ELEC283 MiEL 2003/ Propriétés de base du transistor NMO Caractéristique de sortie Pour comprendre le comportement du NMO, commençons par analyser sa caractéristique de sortie courbe décrivant le comportement électrique du transistor dans le plan (I, V ) I = courant de drain = courant traversant le transistor du drain vers la source I I V ELEC283 MiEL 2003/04 15 V 5

6 7.2.1 Propriétés de base du transistor NMO Caractéristique de sortie La caractéristique de sortie comporte une première zone appelée zone ohmique faible valeurs de V dans cette zone, le comportement du transistor peut être assimilé à celui d'une résistance non-linéaire résistance car "droite" passant par l'origine (V=RI) non-linéaire car cette droite s'incurve I I V zone ohmique V ELEC283 MiEL 2003/ Propriétés de base du transistor NMO Caractéristique de sortie Pour des valeurs plus élevées de V, la caractéristique de sortie est horizontale assimilable à une caractéristique de source de courant zone la plus intéressante de la caractéristique du transistor => transistor = source de courant pour autant qu'on lui applique une tension V suffisante I I V zone ohmique zone de pincement V ELEC283 MiEL 2003/ Propriétés de base du transistor NMO Caractéristique de sortie La valeur du courant de drain dépend de la tension V appliquée au transistor dépendance non-linéaire => transistor = source de courant commandée (nonlinéairement) en tension I V I I I = fct(v ) V V ELEC283 MiEL 2003/

7 7.2.1 Propriétés de base du transistor NMO Caractéristique de sortie Compte tenu de cette dépendance de I en fonction de V, la caractéristique de sortie se représente classiquement sous la forme d'un réseau de courbes une seule courbe valable à un instant donné! I I = fct(v ) V ELEC283 MiEL 2003/ Propriétés de base du transistor NMO Caractéristique de sortie La représentation graphique de la dépendance entre I et V n'est rien d'autre que la caractéristique de transfert du transistor I = grandeur de sortie (ordonnée) V = grandeur d'entrée (abscisse) effectivement non linéaire ici représentée uniquement avec pincement I ELEC283 MiEL 2003/04 21 V Propriétés de base du transistor NMO Caractéristique de sortie La pente de la caractéristique de sortie est appelée transconductance (g m ) varie en fonction du point Q considéré "transconductance" unités d'une conductance ([A]/[V] = [Ω -1 ]) "trans" car entre entrée et sortie du transistor I Q g m δi = δv Q ELEC283 MiEL 2003/04 22 V 7

8 ynthèse Transistor NMO symbole et bornes Comportement caractéristique de sortie zone ohmique zone de pincement caractéristique de transfert transconductance Interprétation Propriétés de base du transistor NMO transistor (pincement) = source de courant (I ) commandée en tension (V ) ELEC283 MiEL 2003/

9 Chap. 7 Les transistors Le transistor MO en amplification Etage amplificateur à transistor MO: principe ELEC283 MiEL 2003/ Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur Intrinsèquement, le transistor NMO se comporte comme une source de courant commandée en tension Q: Comment en faire une source de tension commandée en tension? amplificateur = gain entre deux tensions R: il "suffit" d'ajouter une résistance V V ELEC283 MiEL 2003/ Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur Le schéma ci-dessous est celui de l'étage amplificateur à source commune on ajoute une résistance R entre le drain et une source de tension continue V CC schéma de base pour amplifier au moyen d'un transistor V CC I R V V ELEC283 MiEL 2003/

10 7.2.3 Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: remarques 1) la source de tension externe V CC joue le rôle de réserve d'énergie énergie qui va être "dosée" par le transistor => le transistor est un composant actif doit être alimenté contrôle d'un signal d'énergie élevée par un signal plus faible V CC I R V V ELEC283 MiEL 2003/ Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: remarques 2) on suppose pour l'instant que le montage est à vide pas de charge => le courant traversant la résistance est le même que celui traversant le transistor entre drain et source (I ) V CC I R V V ELEC283 MiEL 2003/ Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: résolution graphique Q: Comment fonctionne cet étage à transistor? Que vaut V? R: deux démarches complémentaires résolution graphique (caractéristiques) résolution analytique difficile car transistor non linéaire V CC I R V V ELEC283 MiEL 2003/

11 7.2.3 Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: résolution graphique La résistance impose une contrainte la ddp à ses bornes vaut V=R.I On peut donc écrire: V =V CC -R.I exprime simplement la chute de tension sur R Cette dernière relation se traduit graphiquement par la droite ci-dessous, appelée droite de charge V CC I I R V CC /R droite de charge V V V ELEC283 MiEL 2003/04 34 V CC Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: résolution graphique raphiquement, la valeur de V s'obtient par l'intersection des deux caractéristiques ci-dessous la caractéristique de sortie du transistor la droite de charge V CC I I R V CC /R I (V ) V V V V CC V ELEC283 MiEL 2003/ Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: résolution graphique Particularité: la position de la caractéristique de sortie dépend de la valeur de la tension de grille V l'intersection n'est donc pas fixe: elle dépend de la tension d'entrée du montage V CC I I R V CC /R I (V ) I = fct(v ) V V V CC V ELEC283 MiEL 2003/

12 7.2.3 Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: interprétation Fonctionnement de l'étage à transistor: quand on augmente V le transistor consomme davantage de courant I la caractéristique de sortie du transistor "monte" dans le graphe => la chute de tension sur R augmente => V diminue et inversément V CC I I R V CC /R I (V ) V V V CC V V ELEC283 MiEL 2003/ Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: difficultés Q: A-t-on réalisé une amplification? Que vaut V par rapport à V? R: pas vraiment V CC I R V V ELEC283 MiEL 2003/ Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: difficultés Trois difficultés 1) le gain en tension est négatif quand V augmente, V diminue 2) l'amplification est non-linéaire dû à la caractéristique de transfert du transistor 3) pas d'amplification si V <0 dû à la structure interne du transistor or signaux alternatifs très courants V CC I R V V ELEC283 MiEL 2003/

13 Polarisation Etage amplificateur à transistor MO: principe Problème n 3: pas d'amplification si V <0 => on ne peut pas appliquer directement un signal alternatif à l'entrée de l'étage olution: il suffit de décaler V pour que toutes les valeurs soient positives V V V V Q t t ELEC283 MiEL 2003/04 41 Polarisation Etage amplificateur à transistor MO: principe Le signal d'entrée comporte alors deux composantes une composante V Q tension continue = moyenne du signal V une composante alternative V portant l'information utile V V V Q t ELEC283 MiEL 2003/04 42 Polarisation Etage amplificateur à transistor MO: principe L'existence de deux composantes s'étend aux autres grandeurs électriques: I et V V CC I =I Q + I R V =V Q + V V =V Q + V ELEC283 MiEL 2003/

14 Polarisation Etage amplificateur à transistor MO: principe La composante continue de ces signaux (indice Q) est appelée polarisation elle ne porte aucune information utile la polarisation sert à placer le transistor dans des conditions électriques données le point de polarisation est le point correspondant aux valeurs moyennes des signaux électriques V CC I =I Q + I R V =V Q + V V =V Q + V ELEC283 MiEL 2003/04 44 Petits signaux Etage amplificateur à transistor MO: principe Problème n 2: l'amplification est non-linéaire or une non-linéarité déforme (modification du contenu fréquentiel) et donc dégrade le signal ex audio: distorsion olution: linéariser le système en travaillant avec des signaux très faibles variations suffisamment faibles pour pouvoir assimiler la courbe à sa tangente concerne uniquement le signal utile (les variations) autour de la caractéristique non-linéaire non-linéarité = caractéristique de transfert => le signal V doit être très faible ordre de grandeur: qques mv par opposition à la polarisation (composante continue), les composantes alternatives sont désignées par le terme de "petits signaux" ELEC283 MiEL 2003/04 45 Petits signaux Problème n 1: le gain est négatif olution 1) pas forcément gênant Etage amplificateur à transistor MO: principe 2) si gênant: ajouter un second étage amplificateur pour réinverser le signal ELEC283 MiEL 2003/

15 7.2.3 Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: interprétation I V CC /R I Q Q V Q V CC V ELEC283 MiEL 2003/ Etage amplificateur à transistor MO: principe Etage amplificateur: interprétation I caractéristique de transfert I caractéristique de sortie g m V CC /R M Q L I Q L Q M temps V Q V temps V Q V CC V V V ELEC283 MiEL 2003/04 48 ynthèse Etage amplificateur à transistor MO: principe Pour amplifier au moyen d'un transistor MO, il suffit d'ajouter une source de tension continue externe et une résistance au transistor étage à source commune principe de fonctionnement et caractéristiques droite de charge Le montage obtenu ne permet pas d'amplifier directement une tension alternative les alternances négatives ne sont pas amplifiées le signal est déformé (non-linéarité de la caractéristique de transfert) La solution consiste à utiliser simultanément 1) la polarisation (ajout d'une composante continue à l'info utile) 2) les petits signaux (signaux alternatifs très faibles) ELEC283 MiEL 2003/

16 ELEC283 Electronique appliquée Transistor MO: structure interne 1 Transistors à effet de champ Introduction < FET = Field Effect Transistor famille de transistors! MOFETà enrichissement, à déplétion, JFET, etc transistor! contrôle d'un courant par une tension "field effect"! fonctionnement basé sur la modulation du courant par des effets électrostatiques! un seul type de porteur de charges : les porteurs de charges majoritaires (contrairement aux bipolaires) < importance 95% du volume des semi-conducteurs actuels part de marché croissante par rapport aux bipolaires! toute l'électronique numérique! à terme, quasi toute l'électronique analogique 2

17 MOFET à enrichissement éfinition et symboles < MOFET = Metal Oxyde ilicon Field Effect Transistor < 2 types NMO ou PMO (à enrichissement) NMO PMO 3 4

18 MOFET à enrichissement tructure io 2 source N substrat grille/gate drain N P métal zone de transition NMO io 2 source grille/gate drain P P N substrat zone de transition PMO 5 Les deux structures de transistor MOFET sont représentées dans cette figure. ans un substrat (bloc de silicium), on implante deux régions de type opposé à celui du substrat appelées source et drain. Ces régions sont recouvertes d'une couche de métal qui sera utilisée pour établir les connexions avec les bornes externes du transistor. La région du substrat entre la source et le drain est par contre recouverte d'une mince couche d'oxyde de silicium (io 2 =très bon isolant), elle-même recouverte d'un matériau conducteur (p. ex. métal). Cette troisième électrode porte le nom de grille ou "gate" en anglais. C'est l'électrode de commande du transistor MOFET. (N.B.: e manière générale, le substrat constitue une 4ème électrode qui peut être polarisée indépendamment des 3 autres. Nous supposons ici qu'elle est toujours portée au même potentiel que la source). eux structures sont possibles suivant le type de substrat. Le transistor porte le nom correspondant au type de la source et du drain : - NMOFET (ou NMO en abrégé) pour un substrat P et la source et le drain de type N - PMOFET (ou PMO en abrégé) pour un substrat N et la source et le drain de type P 6

19 NMO situation par défaut: MO non conducteur N P N zone de transition 0V N 0V P 10V N zone de transition 10V v = 0 v > 0 7 Voyons comment fonctionne le transistor NMO. Le but du MO est de contrôler le courant passant entre le drain et la source, en agissant sur la grille. Remarquons d'abord qu'en l'absence de toute polarisation (donc de toute tension extérieure), le MO comprend dans sa structure même deux jonctions PN: entre la source et le gate et entre le gate et le drain (figure supérieure). Ces jonctions étant non polarisées, elles sont bloquantes: aucun courant ne peut passer entre le drain et la source (quel que soit le sens). i on applique une tension extérieure entre et (figure inférieure), on peut rendre une des deux jonctions passante, mais on renforce par contre la polarisation négative de l'autre jonction (ce qui dans ce cas particulier amène la zone de transition à s'élargir fortement du côté du substrat). En conclusion: à tension de grille nulle, le courant de drain traversant le MO est nul. 8

20 NMO apparition d'un canal: "effet de champ" N P N 0V N 5V 0V N P 5V zone d'inversion=canal N 0V v > 0 v = 0 9 Polarisons maintenant la grille positivement par rapport à la source (sans polariser le drain pour l'instant). La grille, l'oxyde et le substrat forment un condensateur qui se charge à une tension égale à la tension extérieure appliquée. En conséquence, des charges électriques apparaissent sur les deux faces de l'oxyde (qui joue le rôle de diélectrique du condensateur): positives du côté grille et négatives du côté substrat. Les charges négatives présentes dans le substrat sont des électrons provenant principalement de la source et du drain. (imultanément, les trous majoritaires du substrat sont repoussés de la surface par le champ électrique transversal qui y règne.) i la tension appliquée à la grille est suffisante, la concentration d'électrons dépasse celle des trous dans une mince couche du substrat située sous la grille. On crée alors une zone, dite "d'inversion", qui se comporte comme un semi-conducteur de type n et constitue un canal qui relie la source au drain: on a localement inversé le type de semi-conducteur sous la grille. C est pourquoi le transistor porte le nom de MOFET à canal n, ou NMOFET, ou NMO en abrégé. Remarques: - le MO est commandé par une tension (jamais par un courant contrairement au bipolaire). Ceci vient du fait que la grille est connectée à un isolant (oxyde): aucun courant ne peut "entrer" dans le transistor (ou encore: une capacité ne passe pas le courant continu!). - une polarisation de la grille en négatif n'amène rien: des trous s'accumulent sous la grille, ce qui ne crée aucun canal et le transistor ne peut pas devenir conducteur. - dans le symbole du transistor, le sens de la flèche représentant le substrat indique le type du canal: canal n = flèche pointe vers la grille canal p = flèche pointe dans le sens opposé - enfin le "canal" créé dans le substrat par la polarisation positive de la grille est d autant plus "large" que le potentiel de la grille est élevé. 10

21 NMO polarisation positive du drain / courant de drain 0V N 15V 5V i N 15V <15V v > 0 v < v P 11 Rajoutons maintenant une source de tension qui polarise le drain positivement par rapport à la source: des électrons peuvent maintenant aller de la source au drain sans rencontrer de barrière de potentiel, via le canal créé par la polarisation de la grille. Cette situation correspond à un courant conventionnel allant du drain à la source. Ce courant dépend: - de V : une augmentation de V élargit le canal, donc diminue sa résistance et le courant augmente; - de V : une augmentation de V accélère les électrons et augmente donc le débit, c'est à dire le courant (Loi d'ohm). Par rapport à la situation précédente, la polarisation du drain a pour effet d approfondir le canal du côté de la source et de le rétrécir du côté du drain (voir figure). 12

22 i [ma] 3 NMO Caractéristique de sortie i (v ) [1]: zone ohmique R 2 zone ohmique.r non-linéaire v [V] 13 ans ces circonstances, le NMO, vu côté "sortie", se comporte en fait comme une résistance (les charges qui traversent rencontrent seulement la résistance propre à la zone N): le courant de drain est d autant plus important que la tension V est élevée. Cette résistance est néanmoins non-linéaire, comme illustré dans le graphe ci-dessus, qui montre la première partie de la caractéristique de sortie. Ce comportement est valable tant que V <V. 14

23 NMO Pincement 0V 15V $15V i N N P canal N pincé 15V >15V v > 0 v $ v 15 i l on augmente la tension V, on "incline" de plus en plus le canal, c est-à-dire qu on le rétrécit de plus en plus du côté du drain. Lorsqu on arrive au point particulier V = V, on pourrait croire que le canal se "ferme": il n en est rien. On peut montrer en fait que la diminution de section est compensée par une accélération des charges, de sorte que ce qu on constate en réalité est l effet suivant: pour toutes les valeurs V >=V, le courant de drain devient indépendant de la tension V (en d'autres termes: si V vaut 15V, le courant est le même pour V =15, 20 ou 25V). C est ce qu on appelle le "pincement". Cette zone correspond à une horizontale dans le plan de la caractéristique de sortie, c est-à-dire à un comportement en source de courant (contrôlée par la tension V ) 16

24 i [ma] 3 2 R zone ohmique.r non-linéaire NMO Caractéristique de sortie i (v ) [2] zone de pincement. source de courant V =12V v [V] 17 Le graphe ci-dessus montre la caractéristique de sortie complète du transistor NMO. La tension V joue le rôle de paramètre et "règle" la "hauteur" de la courbe. 18

25 i [ma] 3 NMO Caractéristique de transfert i (v ) 2 i.k(v -V,TH ) 2 2 i.k V V >=15V V =10V 1 V =5V V,TH v [V] 19 Pour terminer, voyons la caractéristique de transfert du NMO: elle lie la tension d entrée (V ) au courant de sortie (I ). La courbe supérieure montre la caractéristique de transfert lorsqu'il y a pincement. En l'absence de pincement (zone ohmique), la tension V joue le rôle de paramètre. Remarques: 1) On voit bien que, pour les valeurs de V >V, V n'influence plus le courant (courbe unique). 2) Il existe un seuil en-dessous duquel le transistor n'est pas passant. Ce seuil est noté V,TH (TH pour Threshold) et varie de quelques dixièmes de volt à quelques volts suivant le type de transistor et son application. 3) La caractéristique de transfert est quadratique (exposant 2) en fonction de l'excès de V par rapport à son seuil. 20

26 ELEC283 Electronique appliquée Autres types de transistors à effet de champ 21 Autres types de FET PLAN U < MOFET à enrichissement: PMO < MOFET à déplétion < JFET 22

27 MOFET à enrichissement: PMO < idem NMO sauf polarisée négativement par rapport à (v <0) polarisé négativement par rapport à (v <0) 0V -15V -5V i P N P -15V -5V v < 0 v < v 23 Particularités du PMO: - structure "duale" du NMO - toutes les tensions sont négatives 24

28 MOFET à déplétion (grille non polarisée) io 2 io 2 source grille/gate drain N N P substrat source grille/gate drain N N P métal métal substrat canal préexistant N-MO enrichissement N-MO appauvrissement 25 Particularités du MO à déplétion (=MO à appauvrissement) - par dopage, on réalise un canal préexistant en l'absence de tension de grille. Par défaut, le transistor est donc conducteur et on peut le "couper" par une tension de grille négative (pour un NMO) N.B.: remarquer le symbole légèrement différent: trait continu (représentant le canal) au lieu d'un trait discontinu entre les trois électrodes... 26

29 MOFET à déplétion (NMO) <=> Caractéristique i (v ) i [ma] V -8V -6V -4V -2V 0V 2V v [V] 27 La caractéristique de transfert du NMO à déplétion est donc décalée vers la gauche par rapport à celle du NMO à enrichissement (il est conducteur en l'absence de polarisation). 28

30 Transistor à effet de champ à jonction JFET : Junction Field Effect Transistor source N - métal substrat peu dopé grille/gate P P drain zone de transition NJFET source P - substrat peu dopé grille/gate N N drain zone de transition PJFET 29 Enfin le JFET possède une structure différente mais utilise aussi un effet électrostatique. L'idée est ici de créer un canal dont la largeur est contrôlée par la commande de la grille. En pratique, le fait d'appliquer une tension de grille (négative pour le NJFET) renforce la polarisation négative des jonctions PN existant dans le transistor, ce qui amène les zones de charge d'espace de ces jonctions à s'élargir et donc à rétrécir le canal permettant le passage du courant de drain. Ce transistor possède également son propre symbole. a résistance d'entrée, quoique très élevée (environ Ω), est plus faible que celle du MOFET (environ Ω). 30

31 ELEC283 Electronique appliquée Précautions d utilisation des transistors à effet de champ 31 Précautions d'utilisation des FET PLAN U < Condensateurs parasites < Impédance d'entrée < estruction de la grille < Précautions à observer 32

32 NMO Condensateurs parasites source =substrat C grille C drain métal N N P zone de transition C 33 Les transistors MO comportent plusieurs capacités parasites: - la capacité "gate-source" C est celle dont nous avons déjà parlé: il s'agit d'une vraie capacité dont l'oxyde de grille est le diélectrique et la grille et le substrat les électrodes. - la capacité "grille-drain" C est l'équivalent entre la grille et le drain - enfin il existe une capacité C correspondant à la zone de transition de la jonction PN entre le drain et la source. 34

33 i NMO Impédance d'entrée r C =substrat r = fuite d'un très bon isolant = 10 15!!! C = de qq ff à qq nf suivant taille du MO i. 0 en statique i sert uniquement à (dé)charger C 35 L'impédance d'entrée d'un NMO, entre la grille et la source, peut être modélisée principalement par la capacité C. Cette impédance d'entrée capacitive donne des propriétés particulières au MO: - lorsque la tension de grille est continue (statique), la commande du MO ne consomme aucun courant, - lorsque la tension de grille varie (petits signaux ou commutation), il faut simplement fournir ou extraire le courant nécessaire à charger/décharger la capacité C pour l'amener à la tension voulue. Ce comportement est donc tout-à-fait différent de celui de la commande d'un transistor bipolaire. A un niveau de détail supérieur, on peut ajouter à ce modèle une résistance très élevée (10 15 Ω) traduisant le fait qu'un courant "de fuite" extrêmement faible traverse quand même l'oxyde de grille vers le substrat (dans le cas contraire, l'oxyde de grille serait un isolant vraiment parfait, avec une résistance strictement infinie, ce qui est impossible). En pratique, ce courant peut toujours être négligé en tant que tel, mais cette résistance apparente forme avec C un circuit RC dont nous reparlons dans le transparent suivant. 36

34 NMO destruction de la grille Q claquage V,claquage = V Q claquage = C.V,claquage = 25V. 1pF = 25 pc r.c = pF = 1000s = 17 min!!! => - on peut allumer le transistor pour un temps long - on claque aisément la grille 37 A cause de sa structure particulière, le NMO (dans sa version "non protégée") peut être détruit simplement en approchant la main! Ceci est une conséquence d'un couplage capacitif existant entre l'entrée du MO et la main de l'utilisateur. Voici l'explication de ce phénomène: Tout matériau isolant est capable de "tenir" une certaine tension, c'est-à-dire de supporter une certaine différence de potentiel par unité d'épaisseur. Par exemple, l'air sec peut supporter quelques kv par millimètre. Vous avez déjà tous expérimenté ce qui se passe si la tension dépasse cette limite: une "décharge électrique", c'est-àdire la création d'un arc électrique qui ionise l'air et offre ainsi la possibilité au courant de passer temporairement à travers l'air. Un tel "claquage", dans l'air, est courant: - éclair "naturel" au cours d'un orage, - éclair de la "flèche " d'un tram au passage d'un croisement de caténaires, - déchargé électrique ressentie au contact de quelqu'un d'autre après avoir marché sur un tapis, etc - vêtements en laine, etc ans un MO, l'oxyde de grille est un très bon isolant mais il est extrêment mince (0,1 :m), de sorte que la tension qu'il supporte est faible: 25 à 50V. Pour une capacité C d'environ 1pF, il suffit d'apporter une charge électrique de 25pC (Q=CV) pour atteindre cette tension. C'est une valeur de charge qu'il est tout-à-fait possible de "porter" couramment au bout des doigts. Le schéma ci-dessus montre la répartition des charges positives et négatives lorsqu'on approche la main de la grille d'un MO. eux conséquences sont possibles si le MO reçoit ainsi une charge par couplage capacitif: 1) la tension monte suffisamment pour provoquer le claquage de l'oxyde de grille: le transistor est alors inutilisable, détruit. 2) la capacité C se charge mais reste en-dessous de la tension de claquage: le MO est néamoins "allumé" et permet le passage d'un courant entre drain et source. La charge de C ne peut s'évacuer que par la résistance parasite de l'oxyde de grille. Celle-ci étant énorme, cette décharge est extrêmement lente (RC=17min!) par rapport aux temps caractéristiques de l'électronique. Le fonctionnement du montage peut s'en trouver complètement perturbé. Cette "faiblesse" des MO est également valable dans le domaine du numérique (voir + loin). 38

35 NMO précautions à observer < conservation emballage conducteur! mousses spéciales! emballages plastiques métallisés court-circuit - par un fil < manipulation éviter les vêtements en laine éviter les sols isolants (moquette,..) porter des bracelets mis à la terre, ou au moins toucher une prise de terre avant manipulation les outils et fers à souder seront mis à la terre < composants avec protection interne diodes - et - mais r diminue 39 ne jamais laisser une entrée MO "en l'air" La fragilité de la grille induit toute une série de précautions d'usage indiquées ci-dessus. e manière générale, ce type de précautions (ambiances visant à éviter des charges électriques parasites) se répand de plus en plus dans l'industrie afin de respecter les critères de qualité de fabrication. Il existe également des MO dont l'entrée est protégée (en interne) par des diodes qui permettent d'évacuer les charges parasites dues à un couplage capacitif. On perd alors l'avantage d'une impédance d'entrée énorme, typique des MO. 40

36 ELEC283 Electronique appliquée Le transistor bipolaire utilisé en amplification 1 Transistor bipolaire en amplification PLAN U < Introduction < tructure, principe et caractéristiques du transistor bipolaire < Etage amplificateur à BJT 2

37 étail d'une puce technologies bipolaire et CMO base émetteur collecteur bipolaire P P N N N N N N + source gate drain P P CMO N 3 Pour information, on voit ci-dessus le détail d'un transistor intégré sur une puce en silicium pour deux technologies de fabrication différentes: bipolaire et CMO. On peut constater la complexité de la structure à réaliser dans chaque cas. L'intégration d'un nombre de plus en plus grand de transistors dans une même puce est possible grâce à la réduction progressive de la largeur des pistes. Les technologies actuelles utilisent typiquement une largeur de piste de 0.15:m. Le passage à une intégration plus poussée représente un défi technologique toujours plus difficile et demande des efforts de recherche et des investissements colossaux. 4

38 Introduction Transistor bipolaire à jonctions < Bipolar Junction Transistor (BJT) bipolaire: repose sur le déplacement de trous et d'électrons à jonctions: réglage du courant basé sur les propriétés des jonctions PN passantes et bloquantes < historique inventé en 1948 premier type de transistor utilisé massivement à partir des années 1960 pour remplacer les tubes ("poste à transistor") presque totalement remplacé par les transistors à effet de champ dans les CI numériques subsiste en composant discret ou CI analogiques, ou CI logiques rapides associé au CMO 5 Le transistor bipolaire à jonctions doit son nom au fait que son principe de fonctionnement repose sur: - deux types de porteurs ("bipolaire"): trous et électrons - et deux jonctions PN. epuis son invention en 1948, le transistor bipolaire à jonctions s'est considérablement développé et a été utilisé dans tous les domaines de l'électronique (électronique analogique, électronique numérique et électronique de puissance). Il a atteint son apogée dans les années epuis, le pourcentage des montages où il intervient comme composant principal se réduit continuellement au profit des transistors à effet de champ. Il reste utilisé: - dans des applications à fréquence élevée (au-delà du Hz) comme composant discret, - dans certains circuits intégrés (p. ex. technologie BiCMO). 6

39 ELEC283 Electronique appliquée tructure, principe et caractéristiques du transistor bipolaire / Transistor bipolaire PLAN U < tructure interne < Principe de fonctionnement < Caractéristiques 8

40 jonction base-émetteur E P Transistor bipolaire N tructure jonction base-collecteur P C sens passant de la diode BE E B PNP jonction base-émetteur E N B B P jonction base-collecteur N C B C C E sens passant de la diode BE NPN 9 Le transitor bipolaire à jonctions (BJT) est un empilement de 3 couches de silicium, obtenues par diffusions successives de dopants. Un exemple de structure est présenté ici, mais il en existe de nombreuses autres variantes dont l'étude sort du cadre de ce cours. Le principe de fonctionnement que nous verrons dans la suite du chapitre s'applique à tous les BJT. eux types de transistors bipolaires existent. On leur donne comme nom l'ordre d'empilement des couches, soit PNP et NPN. La couche centrale porte le nom de base (B), les couches externes sont l'émetteur (E) et le collecteur (C). Pour étudier les principes des BJT, nous considérons un transistor fomé d'un barreau qui comprend trois couches successives définissant 2 jonctions: - la jonction base-émetteur (jonction BE) - la jonction base-collecteur (jonction BC) Les dopages des trois zones possèdent des propriétés particulières qui ne seront pas étudiées ici. Il faut par contre retenir que la base est très courte (nous verrons pourquoi plus tard). Les symboles du PNP et du NPN diffèrent légèrement: - la flèche se trouve du côté de l émetteur, - le sens de la flèche indique le sens du courant conventionnel (de P vers N) dans la jonction baseémetteur ans la suite du chapitre, on considèrera uniquement un transistor NPN. 10

41 C +10V Transistor NPN Polarisation en région active jonction BC en polarisation inverse B.0,6V B C E E 0V jonction BE en polarisation directe 11 e la même manière qu il faut polariser une diode, il faut, pour utiliser un transistor, le polariser d une certaine manière. La polarisation que nous décrivons ici permet de placer le transistor en "région active", une zone particulière de ses caractéristiques qui correspond à la fonction d amplification (voir plus loin). Pour cela: - polarisons positivement le collecteur par rapport à l'émetteur au moyen d une source de tension continue: cette source va jouer le rôle de réserve d'énergie. - simultanément, polarisons la jonction BE par une source de courant: celle-ci va jouer le rôle de commande du transistor. ans ces circonstances, la jonction BE agit comme une diode. A cause de la source de courant connectée à la base, cette diode est passante et la tension V BE vaut donc 0,6V. Compte tenu des sources que nous avons appliquées, la jonction BC est par contre polarisée en sens inverse. 12

42 Transistor NPN en région active éplacement des charges C +10V.0,6V B e - I E jonction BE en polarisation directe E 0V 13 Nous venons de voir que la jonction BE est passante. En pratique, cela veut dire que dans la zone N (Emetteur), des électrons se déplacent à contre sens du courant conventionnel, c'est-à-dire de l'émetteur vers la base. C'est la raison pour laquelle l'émetteur porte son nom: il "émet" les électrons... 14

43 jonction BC en polarisation inverse jonction BE en polarisation directe Transistor NPN en région active éplacement des charges C E e - 0V +10V I C.0,6V B I E I B 15 < parcours des électrons un grand nombre d électrons sont émis par l émetteur! polarisation directe de la jonction BE une faible fraction se recombine dans la base MAI la plus grande partie traverse celle-ci pour être "collectés" par le collecteur! base très courte! polarisation inverse de la jonction BC En arrivant dans la base, qui est une zone P, ces électrons devraient normalement se recombiner avec les trous (arrivant par la base) qui sont les porteurs majoritaires de cette zone P. On aurait alors un fonctionnement classique en diode. La différence avec une diode est ici que la base est très courte, beaucoup plus courte que la longueur nécessaire pour que tous les électrons se recombinent avec des trous. i certains électrons se recombinent donc effectivement dans la base (et forment le courant de base, très faible), la plupart d'entre eux franchissent cette base sans avoir le temps de se recombiner et arrivent dans la zone N du collecteur. (C'est d'autant plus facile pour eux que la jonction BC est polarisée en inverse. Or on se souviendra qu'une jonction polarisée en inverse repousse les porteurs majoritaires mais ATTIRE les porteurs MINORITAIRE. Et dans la base, les électrons sont précisément des porteurs minoritaires.) Une fois dans le collecteur, les électrons continuent vers l'électrode supérieure où ils quittent le transistor, attirés par la source extérieure de tension positive. 16

44 Transistor NPN en région active Courants 0V i E E N P N C i C +10V i E = i B + i C B.0,6V < courants conventionnels un courant important va du collecteur à l émetteur un petit courant va de la base à l émetteur le courant d émetteur est la somme des courants de base et de collecteur (cfr parcours des électrons) 17 B C E i l on traduit l analyse précédente, faite au niveau des charges électriques, en courants conventionnels, on voit que: - un courant important va du Collecteur à l'emetteur - un courant plus faible va de la Base à l'emetteur - l'émetteur voit donc la somme des courants de base et de collecteur 18

45 Transistor NPN en région active Importance relative des courants < transistor NPN typique 99% des électrons traversent la base sans se recombiner 1% se recombinent et forment le courant de base => i B << i C. i E < gain en courant du transistor (définition) $ C = i C /i B.100 < B C E < => amplificateur de courant en entrant i B, on sort I C = 100 fois plus grand transistor = source de courant commandée en courant 19 En pratique, 99% des électrons traversent la base sans se recombiner (seulement 1% se recombinent avec des trous provenant de la base). Le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base est le gain en courant du transistor, noté β C. Ce paramètre vaut entre 100 et 150 pour les transistors bipolaires courants. On peut donc retenir que le courant de base est négligeable par rapport aux deux autres courants, qui sont pratiquement égaux. Néanmoins, le principal courant traversant le transistor (i C =i E ) est proportionnel au courant de base. En utilisant ce courant de base comme commande, le transistor bipolaire en région active apparaît donc bien comme un amplificateur de courant. 20

46 Transistor NPN: commande en courant Caractéristique de transfert i C (i B ) i C [ma] 300 2N3904 V CE =25V i C 200 P 100 $ C =i C /i B i B [ma] 21 On voit ici la caractéristique de transfert i C =f(i B ) d'un transistor réel. On peut considérer que cette caractéristique est quasiment linéaire, ce qui signifie que le transistor bipolaire est un amplificateur LINEAIRE lorsqu il est commandé par un courant. 22

47 Transistor NPN: commande en tension Caractéristiques de transfert i C (v BE ) et i C (i B ) i C [ma] commande en courant: quasi-linéaire commande en tension: fortement non linéaire caractéristique de la jonction passante BE 3 1 i B [ma] v BE [V] Que se passe-t-il si, au lieu d'imposer un courant, on impose une tension à l'entrée du transistor (ce qui est très souvent le cas en pratique)? La jonction BE étant polarisée en direct, elle se comporte comme une diode dont le courant varie quasiexponentiellement avec la tension v BE (voir chap. 5: la caractéristique d'une diode polarisée en direct est une exponentielle). Alors que la relation entre i B et i C est linéaire, il n'en est donc plus de même de la relation entre v BE et i C. A cause de la dépendance exponentielle entre v BE et i B, il y a indirectement une dépendance exponentielle entre v BE et i C. Le transistor bipolaire commandé en tension N'ET donc PA linéaire (par opposition à ce même transistor commandé en courant). On verra dans la suite de ce chapitre comment s'affranchir de ce problème. 24

48 i C [ma] 300 Transistor NPN (2N3904) Caractéristique de sortie i C (v CE ) région active région de saturation coupure I B = v CE [V] 25 Pour étudier le transistor dans un montage, on a l'habitude de représenter la courbe i C =f(v CE ), qui est la caractéristique de sortie (*) du transistor. Cette courbe présente sur sa plus grande partie un palier (en réalité une pente légère) qui illustre le fait que i C dépend peu de la tension v CE. Par contre, on sait que i C dépend de i B par le gain β du transistor. La courbe i C =f(v CE ) dépend donc de la valeur de i B, qui agit dans ce graphe comme un paramètre: on obtient en fait un réseau de courbes suivant la valeur de i B. Plusieurs régions peuvent être distinguées sur ce réseau: - à courant de base nul, le courant de collecteur est quasiment nul : c'est la région de coupure - à courant de base non nul et constant, le courant i C commence par croître très rapidement dans les premiers dixièmes de volts de v CE : c'est la région de saturation - lorsque v CE dépasse quelques dixièmes de volts on passe le "coude de saturation" et le courant de collecteur devient beaucoup moins dépendant de la tension v CE : c'est la région active - enfin, vers 40V le courant croît très rapidement : c'est le claquage, qui entraîne généralement la destruction du transistor par échauffement; cette région est donc interdite. L'origine du claquage peut notamment être l'avalanche de la jonction base-collecteur. (*) La caractéristique de sortie lie les deux grandeurs de sortie (tension et courant), tandis que la caractéristique de transfert décrit la relation entre la grandeur de commande (courant ou tension) et la grandeur de sortie. 26

49 ELEC283 Electronique appliquée Etage amplificateur à transistor bipolaire 27 28

50 i C [ma] 300 Rappel: région active transistor région active coupure I B = v CE [V] 29 région active <=> Pour rappel, la région active s obtient par une polarisation positive de la jonction base-émetteur (i B >0, v BE >0) et une polarisation négative de la jonction base-collecteur (v BC <0). C'est dans ces conditions que le transistor peut être considéré comme un amplificateur de courant. 30

51 Montage en émetteur commun Principe < But ampli tension/tension V cc < En entrée commande = tension V 1 i B = (V 1-0,6V)/R B i B =f(v BE ): exponentielle + R B I C R C V 2 < Amplification i C =f(i B ): amplification linéaire en courant - V 1 < En sortie i C transformé en tension par la résistance de charge: V 2 =V CC -R C.i C V 2 = V cc - R C.I C I C = $ C. I B 31 ans le module précédent (6.3.1), nous avons étudié le comportement du transistor seul, via une polarisation un peu "artificielle" (en courant). Ceci nous a permis de montrer que le transistor est un amplificateur linéaire courant/courant, mais en pratique on utilise beaucoup plus couramment des tensions. Pour réaliser un amplificateur tension/tension, il faut ajouter au moins deux composants: - une résistance de base (R B ), qui sert fondamentalement à ne pas connecter directement une source de tension (V BE ) sur la jonction BE (rappelez-vous: c est interdit!), - une résistance de collecteur ou "résistance de charge" (R C ) qui va fondamentalement permettre de traduire le courant de sortie du transistor en une tension (loi d Ohm). Le montage ainsi réalisé est un "étage amplificateur" à "émetteur commun" (car l'émetteur est connecté à la masse et sert d'électrode de référence commune pour l'entrée (base) et la sortie (collecteur) du montage). C est le plus simple des montages amplificateurs à transistor. Remarquez, pour ce montage, que la tension de sortie V 2 n est autre que la tension V CE du transistor. 32

52 Montage en émetteur commun roite de charge i C [ma] V cc V CC R C P I C R C + R B V 2 0 0V V CEsat - C V CC V CE V 1 V 2 = V cc - R C.I C I C = $ C. I B 33 Pour étudier ce montage, supposons dans un premier temps que V 1 est une source de tension continue variable. Le "point de fonctionnement" du transistor, c'est-à-dire le point représentant la valeur des différentes grandeurs électriques, se trouve à l'intersection de deux courbes: 1) la caractéristique (de sortie) du transistor: i C =f(v CE ) 2) la caractéristique du circuit extérieur: ici la loi d'ohm sur la résistance R C. Cette deuxième caractéristique est appelée "droite de charge". On voit facilement que la droite de charge, pour ce montage, répond à l équation suivante: V CE =V CC -R C.I C (tension de la source V CC moins chute de tension sur la résistance). Variation du point de fonctionnement La position de la caractéristique de sortie du transistor dépend de la valeur du courant i B (cfr supra). Lorsque i B varie, le palier de la caractéristique de sortie "monte" ou "descend" et le point de fonctionnement se déplace simultanément sur la droite de fonctionnement. En d autres termes, i B fixe la "hauteur" du point de fonctionnement dans le graphe. Ce point peut varier entre les deux limites de la région active: 1) le point C représentant la coupure (i C =0) 2) le point représentant la saturation (v CE <<) 34

53 Amplification d un signal alternatif ignal alternatif direct: difficultés 12V v2 V cc =12V 8V distorsion I C R C 4V 0V v1 opposition de phase R B V 1 =1V V 2-4V 0 alternances négatives perdues t 35 Les difficultés rencontrées pour amplifier un signal alternatif direct sont les mêmes que celles rencontrées dans le cas d un étage à transistor MO. 36

54 Amplification d un signal alternatif ampli "classe A": polarisation + petits signaux i C [ma] V CC R C V cc R C I CEQ Q I BQ i B =I BQ +)i B v 2 =V 2Q +)v 2 0 0V V CEQ C V CC V CE + )v 1 R B - V 1Q 37 La seule manière d'amplifier une faible tension alternative est d'y ajouter une tension continue (opération qui porte également le nom de POLARIATION du transistor). Le point de fonctionnement du transistor en l'absence de tension alternative est appelé POINT E REPO. ans la suite de ce chapitre, ce point sera noté Q, et toutes les grandeurs continues associées seront notées en majuscule et indicées par Q. ans ce schéma, on peut régler la position du point Q à l'aide de la tension continue V1Q et de la résistance de base RB. ans cette configuration, on parle d'amplification à petits signaux autour du point de fonctionnement Q. La tension alternative d'entrée v1 provoque donc une variation de courant de base ib, amplifiée par le gain β pour donner une variation de courant collecteur ic qui elle-même entraîne une variation de la tension de sortie v2. Insistons sur la séparation des deux problèmes : - polariser le transistor, c'est placer le point de repos dans une position autour de laquelle on pourra réaliser une amplification dans de bonnes conditions, - amplifier, c'est transformer de petites variations de tensions d'entrée v1 (que l'on ajoute à la tension continue de polarisation) en de plus grandes variations de la tension de sortie v2 (autour de la tension de repos V2Q), via l effet d amplification en courant du transistor. Les valeurs continues de polarisation peuvent être également vues comme les moyennes temporelles des tensions et des courants. Elles ne portent pas d information "utile": elles sont simplement présentes en tant que "support" du signal alternatif à amplifier. Le montage illustré ci-dessus est le montage le plus simple pour amplifier une tension alternative. Il porte le nom d ampli "classe A" (caractérisé par le fait que le point de repos est placé au milieu des caractéristiques). 38

55 Amplification d un signal alternatif Ampli "classe A": calcul du gain < gain de l étage amplificateur gain à vide: A V =-g m R C! V 2 =V CC -R C.I C! V 2 =- R C.I C! V 2 =- R C.g m. V BE ne pas confondre avec β!! gain du transistor i B =I BQ +)i B + )v 1 R B V cc R C v 2 =V 2Q +)v 2 - V 1Q 39 Etage amplificateur à 1 transistor Comparaison BJT / NMO < tructure identique < Commande du transistor différente NMO = source de courant commandée en tension BJT = source de courant commandée en courant! ou commandée en tension via le passage par la jonction BE < Etage à BJT résistance de base pour éviter d imposer directement la tension sur la jonction PN base-émetteur résistance d entrée beaucoup plus faible que celle d un MO 40

56 Etage amplificateur à 1 transistor ynthèse < Vu dans ce cours: Ampli à émetteur commun! basé sur un transistor bipolaire Polarisation en classe A Polarisation par la base < Nombreuses variantes et montages en fonction de: gain bande passante impédance d entrée impédance de sortie etc 41 42

57 ELEC283 Electronique appliquée Compléments / Compléments PLAN U < Mise en cascade d étages amplificateurs < Liaison par capacité < Montage cathodyne (suiveur) 44

58 Mise en cascade d étages amplificateurs Introduction < étage amplificateur seul: parfois gain (A V ) insuffisant < mise en cascade d étages amplificateurs chaque étage modélisé par son équivalent de Thévenin => Zin et Zout!!!! particularité: valeurs à petits signaux!! même critères que précédemment i B =I BQ +)i B )v 1 + V - 1Q R B V cc R C v 2 =V 2Q +)v 2 Zo V 1 A V V 1 V 2 45 Il est souvent nécessaire d'obtenir un gain en tension supérieur à ce que l'on peut obtenir avec l'étage vu précédemment. ans ce cas, on mettra plusieurs étages en cascade pour multiplier leurs gains. On retombe dans ce cas sur le problème déjà vu précédemment: lorsqu on connecte entre eux plusieurs montages, il faut s assurer qu ils sont "compatibles", ce qui se fait en modélisant chaque montage par son équivalent de Thévenin. ans ce contexte-ci, on arrive donc au fait qu un étage amplificateur peut être modélisé par son équivalent de Thévenin. Avec la particuliarité que cet équivalent de Thévenin concerne la partie "petits signaux" des grandeurs électriques uniquement (=> valeurs d impédances définies sur base des petits signaux). La compatibilité entre étages doit notamment être assurée au niveau des impédances (entrée et sortie). Le critère est le même que précédemment (critère de tension): un bon étage amplificateur doit avoir une impédance d entrée élevée et une impédance de sortie faible. Le calcul des impédances d entrée et de sortie à petits signaux d un étage amplificateur ne sera pas vu dans ce cours. Rappelons simplement que les impédances de sortie et d entrée sont des impédances fictives, qui NE correspondent donc PA (sauf cas particulier) aux impédances existant à l entrée et à la sortie du schéma de l étage amplificateur... 46

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