1. TRANSISTOR BIPOLAIRE

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1 Inventé en 1948 par les Américains J. Bardeen, W. Brattain et W. Shockley, le transistor est un composant à semi-conducteur qui remplit deux fonctions vitales en électronique: celles d'amplificateur (c'est un générateur de fort courant en sortie commandé par un faible courant en entrée) et d interrupteur (à courant unidirectionnel cependant). 1. TRASISTOR BIOLAIRE Constitution : base émetteur Isolant (SiO2) Zone Zone Zone Dopages : L émetteur est très dopé (1 22 à 1 24 centres/m 3 ) La base est peu dopée (1 17 à1 2 centres/m 3 ) Le collecteur est à peu près dopé comme l émetteur. collecteur Symboles : L effet transistor : Soit un transistor, pour lequel on rend la jonction base-émetteur passante et la jonction base-collecteur bloquée, par exemple comme dans le montage de droite : R 1 E C R 2 Il existe donc un courant I B, circulant de la base B vers l émetteur (maille de gauche sur le schéma) La jonction base-collecteur étant bloquée, il ne peut, à priori, pas exister de courant au niveau du collecteur du transistor. Or, la base est de très faible épaisseur (quelques µm) ; il règne un champ électrique intense entre la zone d émetteur et la zone de collecteur (jonction base-collecteur en inverse) ; en conséquence, les

2 nombreux électrons injectés dans la base par l émetteur ne s y recombinent pratiquement pas avec des «trous» et sont «happés» par le collecteur : Ceci constitue l effet transistor. R 1 E C R 2 Dans ce mécanisme, l existence même du courant de base I E I C peut être considérée comme un «accident»! I B La loi des nœuds impose : I E = I B + I C au vu de la très faible fraction d électrons recombinés dans la base, on a I B << I E et I E I C B On définit 2 paramètres caractéristiques : α IC cc = I,95 α CC,999 («gain» en courant en base commune) E β = IC cc = I 1 α 2 β B α CC 1 («gain» en courant en émetteur commun) Caractéristiques électriques : Deux constatations pratiques : β est sujet à forte dispersion. Les constructeurs donnent une fourchette { MI ; MAX } pour un courant I C fixé, avec MAX 2 à 3 MI! β augmente avec la température (agitation thermique) : R B I B I C V CE R C V CC soit dβ β = ε.dt β = β. e ε T ε K -1 V BB V BE I E - Caractéristique d entrée : I B en fonction de V BE. C est la caractéristique courant-tension de la jonction base-émetteur ; son équation peut être approchée par le modèle exponentiel : VBE IB IBS.(e U T 1) avec U T = η kt 25mV à 3K e oter la faible tenue en inverse de la jonction baseémetteur : Environ 5 à 7V. Influence de la température : V BE décroit de 2,5mV/ C pour le silicium -5 à 7V I B,7V V BE Modèle linéarisé : V BE = E + R I B si V BE E I B = si V BE < E

3 - Caractéristiques de sortie : I C en fonction de V CE. On peut en définir une infinité, selon la valeur du courant de base. I B apparaît ainsi comme la grandeur de commande d un transistor bipolaire. Une caractéristique donnée comporte 3 zones : Saturation : Jonctions BE et BC passantes ; I C dépend fortement de V CE (mais pratiquement pas de la valeur de I B ). Linéaire : Jonction BE passante, jonction BC bloquée ; I C est pratiquement indépendant de V CE, mais est proportionnel à I B. Claquage : Au delà d une valeur maximale de V CE, la jonction base-émetteur part en avalanche. (V CEmax 2V à 6V pour un transistor d usage général, mais peut dépasser 2V pour un transistor HT) I C,7V V CEmax V CE saturation linéaire claquage Dans la zone linéaire : I I VCE C = β B + ( + ICEo) RS d où possibilité de modélisation (orton) entre C et E. I CE est le courant de fuite à base ouverte (très faible < 1µA), mais double tous les 7 C environ. Quand la température croit, les caractéristiques se translatent vers le haut. - Caractéristique de transfert : I C en fonction de I B. A chaque valeur de I B, il correspond une caractéristique de sortie. (réseau) La caractéristique de transfert du transistor est la courbe représentant I C en fonction de I B, à V CE fixé. Cette caractéristique est approximativement linéaire I CMAX I C Ci-contre : Ensemble des caractéristiques d un transistor bipolaire (). MAX V CE I B V CEMAX V BE Le fonctionnement du transistor est limité par un courant collecteur maximal (I CMAX ), Une tension collecteur émetteur maximale (V CEMAX ) et une puissance maximale dissipée ( MAX ). Ces 3 limites définissent une surface de travail dans le plan {I C ; V CE } nommée aire de sécurité. La puissance dissipée est, en toute rigueur = V BE.I B + V CE.I C, qu on peut aisément approcher par V CE.I C. MAX our = MAX, on a I C =, ce qui correspond à une représentation hyperbolique. VCE Emballement thermique : En régime normal, la puissance que doit dissiper le transistor entraîne son échauffement ; en conséquence, son réseau de caractéristiques de sortie se translate vers le haut, provoquant une augmentation de I C supplémentaire, donc une augmentation de, et donc une élévation de température C est le phénomène d emballement thermique, qui, s il n est pas correctement maîtrisé peut amener à la destruction rapide du transistor.

4 2. TRASISTOR A EFFET DE CHAM A JOCTIO (JFET) (Junction Field Effect Transistor) Constitution : Isolant (SiO2) source(s) grille(g) drain(d) substrat Symboles : Canal Canal L Effet de Champ Consiste à faire varier la conductivité du canal en jouant sur la polarisation inverse de la jonction (grille-canal). lus la jonction est polarisée en inverse et plus la zone de transition (isolante) s élargit : (donc plus la section conductrice du canal diminue) Fonctionnement typique : V ; > V ; ; I G ; > Le transistor à effet de champ est commandé par. La zone de transition est plus large côté drain. Si suffisamment négatif, la largeur de canal devient nulle. Le canal est pincé pour V V est la tension de pincement. V est sujette à dispersion. = V

5 Caractéristiques électriques. - Entrée : I G en fonction de I G ; cette caractéristique ne présente aucun intérêt. - Sortie : en fonction de. est fixée. La courbe présente 2 zones, séparées par un coude : zone 1 : augmente avec ; comportement résistif zone 2 : indépendant de ; zone de saturation. Au voisinage de l origine ( <,5V env.), zone ohmique : R DS DS = R 1 VGS V zone 1 zone 2 - Transfert : en fonction de. SS est fixée. Courbe assimilable à un arc de parabole : 2 I GS D = I V DSS 1 V SS, courant de drain maximal observable (à = ) est sujet à dispersion. V - Réseau de caractéristiques. On définit un réseau de caractéristiques de sortie, paramétrées par la valeur (<) de. = 1 < 2 < 1 V

6 3. TRASISTORS A EFFET DE CHAM MOS (MOSFET) (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor) Capacité MOS grille Isolant (Si2) Semiconducteur dopé G substrat V G > Accumulation d électrons Semiconducteur dopé G Le phénomène d inversion -3V< V G < Zone G V G < -3V Zone d inversion Zone Différents types de transistors MOS.!"! # " $ % Source Grille Drain Source Grille Drain Canal induit Canal induit Substrat Substrat

7 $''$()! #* '! % Source Grille Drain Source Grille Drain Canal diffusé Canal diffusé Substrat Substrat rincipe du fonctionnement des MOS. La conductivité du canal (entre drain et source) est commandée par la tension appliquée entre grille et substrat ; en général, le substrat est relié à la source. - MOS à enrichissement : Le canal n existe pas au départ. A =, la résistance drain source est infinie ; il faut > 3V (canal ) ou < -3V (canal ) pour induire le phénomène d inversion et créer un canal conducteur entre drain et source. V T 3V ID K( VGS VT ) 2 V T - 3V!! V T < V T > V T V T &

8 -MOS à appauvrissement. Le canal existe au départ A =, il y a déjà conduction possible entre drain et source. our un MOS, le transistor sera bloqué pour -3V et de plus en plus conducteur pour > -3V ; pour un MOS, phénomène inverse. > SS = < V T -3V! ID IDSS 1 2 VGS V T V T 3V SS > = <! +

9 TRASISTORS MOS DE UISSACE Il en existe de nombreuses variantes ; l objectif est toujours le même : Obtenir un canal de forte section et de faible longueur, afin de minimiser sa résistance et donc les pertes Joule du composant. LD MOSFET T MOS V MOS,