TP3 : transistors. Laboratoire de Physique III - Electronique Année Sergio Gonzalez Sevilla

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1 TP3 : transistors Laboratoire de Physique III - lectronique Année Sergio Gonzalez Sevilla Sergio.Gonzalez@unige.ch

2 Rappel: courbe caractéristique d une diode 2

3 Transistor ipolaire à Jonction Transistor ipolaire à jonction (JT: ipolar Junction Transistor) trois régions à semi-conducteurs dopés, séparés par deux jonctions PN émetteur (): fortement dopée base (): étroite, légèrement dopée collecteur (): large, dopage plus faible que celui de l émetteur n p n (émetteur) N P N (collecteur) jonction base-émetteur jonction base-collecteur contacts aluminium émetteur SiO 2 Transistor ipolaire NPN (ase) base collecteur n p n 3

4 Transistor ipolaire à Jonction Transistor ipolaire à jonction (JT: ipolar Junction Transistor) trois régions à semi-conducteurs dopés, séparés par deux jonctions PN émetteur (): fortement dopée base (): étroite, légèrement dopée collecteur (): large, dopage plus faible que celui de l émetteur p n p (émetteur) P N P (collecteur) jonction base-émetteur jonction base-collecteur contacts aluminium émetteur SiO 2 Transistor ipolaire PNP (ase) base collecteur p n p 4

5 Transistor non polarisé Transistor bipolaire NPN (n pn): les électrons sont majoritaires dans l émetteur et le collecteur les trous sont majoritaires dans la base electron libre trou jonction baseémetteur () jonction basecollecteur () 5

6 Transistor non polarisé Transistor bipolaire NPN (n pn): les électrons sont majoritaires dans l émetteur et le collecteur les trous sont majoritaires dans la base La diffusion des électrons libres à travers les deux jonctions produit deux zones de déplétion (ou d appauvrissement) régions dépourvues de porteurs majoritaires; barrière de potential ~0.7V (Si) à cause des différentes concentrations dans les trois régions dopées, la pénétration de la zone de déplétion varie: largeur côté émetteur << largeur côté base largeur côté collecteur >~ largeur côté base ion positif jonction baseémetteur () jonction basecollecteur () ion négatif 6

7 Transistor polarisé onsidérons la jonction base-émetteur () polarisée en directe V 1 7

8 Transistor polarisé onsidérons la jonction base-émetteur () polarisée en directe le champ électrique dans la région de déplétion (champ interne de la région n p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe (crée par la source externe) sont opposés champ électrique externe champ électrique interne (région de déplétion) V 1 8

9 Transistor polarisé onsidérons la jonction base-émetteur () polarisée en directe le champ électrique dans la région de déplétion (champ interne de la région n p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe (crée par la source externe) sont opposés la différence de potentiel aux bornes de la région de déplétion: ΔV= V 0 - V 1 la région de déplétion se rétrécit barrière de potentiel (~0.7 V) V 1 9

10 Transistor polarisé onsidérons la jonction base-émetteur () polarisée en directe le champ électrique dans la région de déplétion (champ interne de la région n p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe (crée par la source externe) sont opposés la différence de potentiel aux bornes de la région de déplétion: ΔV= V 0 - V 1 la région de déplétion se rétrécit un grand courant circule entre l émetteur et la base barrière de potentiel (~0.7 V) ce courant est composé principalement des électrons injectés à travers l émetteur; l injection de trous de la base vers l émetteur est largement réduite par rapport à celle d électrons à cause de la différence en dopage entre émetteur et collecteur I électrons V 1 I 10

11 Transistor polarisé onsidérons la jonction base-collecteur () polarisée en inverse V 2 11

12 Transistor polarisé onsidérons la jonction base-collecteur () polarisée en inverse le champ électrique dans la région de déplétion (champ interne de la région n p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe (crée par la source externe) sont alignés champ électrique externe champ électrique interne (région de déplétion) V 2 12

13 Transistor polarisé onsidérons la jonction base-collecteur () polarisée en inverse le champ électrique dans la région de déplétion (champ interne de la région n p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe (crée par la source externe) sont alignés la différence de potentiel aux bornes de la région de déplétion: ΔV= V 0 V 2 la région de déplétion s élargit V 2 13

14 Transistor polarisé onsidérons la jonction base-collecteur () polarisée en inverse le champ électrique dans la région de déplétion (champ interne de la région n p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe (crée par la source externe) sont alignés la différence de potentiel aux bornes de la région de déplétion: ΔV= V 0 V 2 la région de déplétion s élargit un très faible courant circule entre la base et le collecteur porteurs de charge crées par agitation thermique porteurs minoritaires à l origine d un (négligeable) courant inverse (ou courant de saturation) V 2 14

15 Transistor polarisé en directe-inverse Polarisation des deux jonctions ( et ): jonction base-émetteur (): en polarisation directe (V > V ) jonction base-collecteur (): en polarisation inverse (V > V ) V 1 V 2 15

16 Transistor polarisé en directe-inverse 1.- Injection d électrons ces électrons diffusent aisément à travers la jonction, jusqu à la région P où ils deviennent porteurs minoritaires électrons 16

17 Transistor polarisé en directe-inverse 1.- Injection d électrons ces électrons diffusent aisément à travers la jonction, jusqu à la région P où ils deviennent porteurs minoritaires la base, faiblement dopée et très mince, possède un nombre très limité de trous seul un faible pourcentage des électrons circulant à travers la jonction peut se combiner avec les trous disponibles électrons 17

18 Transistor polarisé en directe-inverse 1.- Injection d électrons ces électrons diffusent aisément à travers la jonction, jusqu à la région P où ils deviennent porteurs minoritaires la base, faiblement dopée et très mince, possède un nombre très limité de trous seul un faible pourcentage des électrons circulant à travers la jonction peut se combiner avec les trous disponibles ces quelques électrons recombinés circulent hors de la base comme des électrons de valence, constituant un petit courant de base I électrons I 18

19 Transistor polarisé en directe-inverse 1.- Injection d électrons ces électrons diffusent aisément à travers la jonction, jusqu à la région P où ils deviennent porteurs minoritaires la base, faiblement dopée et très mince, possède un nombre très limité de trous seul un faible pourcentage des électrons circulant à travers la jonction peut se combiner avec les trous disponibles ces quelques électrons recombinés circulent hors de la base comme des électrons de valence, constituant un petit courant de base I le courant à travers la jonction est le courant de l émetteur I composé principalement par le courant électronique I électrons I 19

20 Transistor polarisé en directe-inverse 2.- ourant du collecteur la plupart des électrons injectés par l émetteur ne se recombinent pas mais se diffusent vers la région de déplétion ils sont attirés à travers la jonction par le champ électrique interne le champ électrique externe (jonction en polarisation inverse) I électrons électrons I 20

21 Transistor polarisé en directe-inverse 2.- ourant du collecteur la plupart des électrons injectés par l émetteur ne se recombinent pas mais se diffusent vers la région de déplétion ils sont attirés à travers la jonction par le champ électrique interne le champ électrique externe (jonction en polarisation inverse) les électrons du collecteur passent alors au fil conducteur externe courant du collecteur I composé par le courant électronique I électrons électrons I I 21

22 ourants du transistor Le courant émetteur est la somme du courant au collecteur et du courant de base, tel que: I = I I I I I I N P N I I Transistor NPN 22

23 ourants du transistor Le courant émetteur est la somme du courant au collecteur et du courant de base, tel que: I = I I I I I I P N P I I Transistor PNP 23

24 Rapport α Si, par exemple, environ 5% des électrons injectés par l émetteur se recombinent avec des trous dans la base, environ 95% des électrons injectés atteignent collecteur le courant collecteur I est presque égale au courant émetteur I Le rapport α (facteur de transport) indique la proximité des valeurs de ces deux courants: = I I Remarques: plus la base est étroite et légèrement dopée, plus α est grand idéalement, si tous les électrons passent au collecteur α =1 typiquement, α possède une valeur de 0.95 à

25 Gain (facteur β) Le facteur β correspond au rapport entre le courant collecteur et le courant base: = I I β constitue le gain direct en courant et est habituellement désigné par le terme h F sur les fiches techniques des transistors Remarques: Moins de 5% des électrons injectés par l émetteur se recombinent avec des trous de la base pour produire I ; par conséquent, β est presque toujours plus grand que 20 Habituellement, β est compris entre 50 et 300. Quelques transistors ont un β~

26 Tensions du transistor Les trois tensions pour le transistor polarisé sont: tension d émetteur V, la tension du collecteur V et la tension de base V (tensions par rapport à la masse) la tension du collecteur est égale à la tension d alimentation c.c. (V ) moins la tension aux bornes de R la tension de base est égale à la tension d émetteur plus la barrière de potentiel de la jonction base-émetteur (V ), qui est ~ 0.7 V R I V = V I R V R I V V V I V V = V V V =0V 26

27 ourbes caractéristiques du collecteur On fait varier V et V pour établir différentes tensions et courants dans le transistor typiquement, on fixe une valeur de I et on varie V pour mesurer I et V A mesure que l on augmente V, V et I augment V lorsque V ~ 0.7 V, la jonction base-collecteur passe en polarisation inverse (point ) et I atteint sa valeur maximale (I = β.i ) I se stabilise, et augmente légèrement avec V suite à l élargissement (a) ircuit de la région de déplétion base-collecteur I R I V I R I région linéaire (active) R I V V région de saturation V A V V (max) V Saturation region Active region (b) I versus V curve for one value of I reakdown region 0 (c) Fa (I 27

28 ourbes caractéristiques du collecteur n utilisant d autres valeurs pour I, nous pouvons dessiner des courbes additionnelles de I en fonction de V ces courbes constituent une famille de courbes pour le collecteur d un transistor donné I I 6 I 5 I 4 I 3 I 2 I 1 utoff region I = 0 0 V (c) Family of I versus V curves for several values of I (I 1 < I 2 < I 3, etc.) 28

29 locage Lorsque I = 0, le transistor est en blocage (cutoff region) les deux jonctions et sont en polarisation inverse infime quantité de courant de fuite I O (collector to emitter with base open) au collecteur causé par de porteurs générés par effet thermique I I O est dans la pratique négligeable, et donc V = V I 6 I 5 R I 4 I 3 R I O I 2 V V I = 0 V I 1 utoff region I = 0 0 V (c) Family of I versus V curves for several values of I (I 1 < I 2 < I 3, etc.) 29

30 Valeurs maximales du transistor Le produit V x I ne doit pas excéder la dissipation de puissance maximale. les valeurs de V et I ne peuvent pas être maximales en même temps I = P D(max) / V Une courbe de dissipation maximale peut être tracée sur les courbes du collecteur I (ma) I (max) A D V (V) V (max) 30

31 Transistor à effet de champ à jonction ontrairement aux transistor bipolaire à jonction, qui est un composant contrôlé par le courant (le courant de base détermine la quantité de courant au collecteur), le transistor à effet de champ (Field ffect Transistor, FT) est contrôlé par la tension. Le transistor à effet de champ à jonction (JFT) est un type de FT qui fonctionne avec une jonction en polarisation inverse pour contrôler le courant du canal D (drain) N D G (grille) P P G N S (Source) Transistor JFT à canal N S 31

32 Transistor à effet de champ à jonction V DD fournit une tension entre le drain et la source courant d électrons de la source vers le drain V GG fournit la tension de polarisation inverse entre grille et source création d une zone de déplétion dans le canal de type N et donc augmentation de sa résistance la largeur du canal (et donc le courant de drain I D ) est contrôlée par la tension de la grille zone de déplétion G P N D P V DD V GG N S 32

33 aractéristiques onsidérons d abord le cas où V GS = 0 V (cout-circuit de la grille et la source) I D augmente proportionnellement avec l augmentation de V DD (V DS augmente avec V DD ) Dans cette région (entre les points A et ), la résistance du canal est ~ constante (zone de déplétion n est pas assez large pour donner un effet significatif) région ohmique Région ohmique Région à courant constant laquage V p (tension de pincement) 33

34 aractéristiques Le point où I D demeure essentiellement constant malgrès l augmentation de V DS est la tension de pincement (point ) la tension de polarisation inverse entre la grille et le drain (V GD ) produit une région de déplétion assez large pour repousser l augmentation en V DS et maintenir le courant I D relativement constant courant de drain constant: I DSS (Drain to Source current with gate Shorted) I DSS est le courant maximal qu un JFT peut produire Région ohmique Région à courant constant laquage V p (tension de pincement) 34

35 ontrôle de I D par V GS Si on applique une tension de polarisation V GG, à mesure que la valeur de V GS devient de plus en plus négative par l ajustement de V GG, une famille de courbes caractéristiques de drain est produite A mesure que V GS devient de plus en plus négative: I D ainsi que le voltage de pincement V p diminuent 35

36 Tension de blocage La valeur de V GS qui donne I D ~ 0 est la tension de blocage V GS(off) les couches de déplétion s élargissent jusqu à se toucher obturation complète du canal conducteur Le FT doit être utilisé entre V GS = 0 V et V GS(off) pour cette échelle de tensions entre grille et source, I D variera entre une valeur maximale (I DSS ) jusqu à une valeur minimale presque nulle 36

37 Pins des transistors JT (2N3904) MOSFT (S170KL) D 1 D G 2 G S 3 S Top View 37

38 Test au multimètre 38

39 Sergio Gonzalez Sevilla (UniGe) on travail!!