III- Transistor bipolaire : Le transistor bipolaire a été inventé par Bardeen et Brattain en 1948, la théorie en a été élaborée par Shockley en 1949, le premier transistor à jonction a été fabriqué en 1951. C'est historiquement le premier composant actif à semi-conducteur, son influence dans l'industrie électronique a été considérable. Le transistor bipolaire peut être considéré du point de vue électronique comme une source de courant commandée par une tension. Ce courant peut alors créer une différence de potentiel aux bornes d une charge (une résistance par exemple) plus importante que la tension de commande. On dit alors que le dispositif a un gain en tension. Il est facile de comprendre alors qu il est possible de l utiliser pour réaliser des amplificateurs électroniques. Quand la variation de tension appliquée en entrée permet de faire passer le transistor de l état non conducteur { l état conducteur, on peut l utiliser pour réaliser des fonctions binaires. Il a donc été aussi un composant de base de l électronique numérique. Les transistors bipolaires ont cependant été de moins en moins utilisés à partir des années 80 pour être remplacés par les transistors de type MOSFET offrant des avantages en termes de consommation électrique. Les transistors bipolaires sont encore utilisés pour des fonctions exigeantes en termes de rapport signal sur bruit ou dans des applications d électronique de puissance. Le terme bipolaire vient du fait que les deux types de porteurs (électrons et trous) participent à la conduction du dispositif. III-1 Définition : Un transistor bipolaire est un dispositif constitué de trois zones différemment dopées d un même cristal qui forment deux jonctions pn montées en opposition avec une zone commune. Les trois zones sont appelées émetteur, base et collecteur. Le transistor bipolaire est caractérisé par le fait que l épaisseur de la zone base est très faible (typiquement de l ordre de µm ; très inférieur à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires) ce qui permet un fort couplage entre la jonction constituée de l émetteur -base et celle de base-collecteur et qui est à l'origine de l'effet transistor. Il existe deux types de transistors bipolaires : comme le montre la figure1. Les transistors NPN : Dans ce type de transistors, la couche mince dopée P est située entre les deux zones dopées N. (fig.1). Les transistors PNP : Dans ce type de transistors, la couche mince dopée N est située entre les deux zones dopées P. 1
Figure 1 : Les différentes représentations du transistor NPN. La flèche sur le dernier schéma montre le sens passant de la jonction (B/E). - ie : le courant émetteur - ic : le courant collecteur - ib : le courant base. Les caractéristiques du transistor sont les suivantes : - Le courant émetteur est donné par la relation : ie=ic+ib - La résistante d entrée R (B/E) de la jonction passante (B/E) est faible et la résistante de sortie R(B/C) de la jonction (B/C) est très grande. Jonction (B/C) est une jonction bloquée. - L amplification statique est définie par le facteur β= ic/ib avec 50< β<400. III-2 Transistors bipolaires non polarisé de type (NPN) : Ils sont les transistors les plus utilisés et les plus faciles à réaliser. Si les régions NPN du transistor ne sont plus isolées l une de l autre, les électrons libres diffusent { travers les deux jonctions ce qui donne deux zones de déplétion (fig.2). Ces zones sont pauvres de porteurs majoritaires et la barrière de potentiel pour chacune d elles est d environ 0,6 { 0,7 volt (cas du silicium Si). Figure2 : Transistor bipolaire NPN non polarisé. 2
Dans les trois régions dopées, les concentrations en porteurs ne sont pas les mêmes. La largeur de la zone de déplétion côté émetteur (fortement dopé) est donc beaucoup moins large que celle du côté base qui est très peu dopée. La largeur de la zone de déplétion du côté collecteur est presque la même que celle de la base. III-3 : Effet de transistor : Dans une jonction PN le courant inverse est proportionnel aux densités de porteurs minoritaires. L'effet transistor consiste à moduler le courant inverse de la jonction basecollecteur polarisée en inverse, par une injection de porteurs minoritaires dans la base à partir de la jonction émetteur-base polarisée dans le sens direct. Les porteurs minoritaires injectés (trous) dans la base sont ensuite soumis à un champ intense de la jonction base collecteur polarisée en inverse puis dérivent vers le collecteur. Pour que les porteurs minoritaires atteignent la jonction base-collecteur l'épaisseur de la base doit être inférieure à leur longueur de diffusion. Cette condition est fondamentale pour éviter la recombinaison des porteurs minoritaires lors de la traversée de la base. Les équations permettant une meilleure description de fonctionnement du transistor se déduisent à partir de l'équation caractéristique de la jonction PN. Le principe de superpositions de deux états d équilibre (sans polarisation), collecteur-base puis émetteur-base en court-circuit conduit aux équations de fonctionnement dites de d Ebers Moll. Qui se reposent sur les hypothèses suivantes, dans le cas d un transistor PNP : La concentration des porteurs minoritaires injectés dans l'une des régions reste faible devant celle des majoritaires, (hypothèse de faible injection). Dans les zones de charge d'espace, les phénomènes de génération-recombinaison sont très faibles et considérés négligeables. La région de base est très étroite et très peu dopée. La région de base, la durée de vie des porteurs minoritaires est importante et leur temps de transit est réduit. C est-à-dire la longueur de diffusion de ces porteurs est beaucoup plus grande que la largeur de la base. II-4 : L amplification : En électronique, un dispositif amplificateur permet d augmenter l amplitude d un signal.ainsi un courant est amplifié lorsque sa valeur de sortie est supérieure à sa valeur d entrée.ceci ne se fait pas sans apport d énergie extérieure. Il faut un dispositif qui puisse fournir de l énergie c est l alimentation extérieure du dispositif amplificateur. Le courant de sortie peut être modulé soit par un courant, comme nous le voyons pour un Transistor bipolaire, soit par une tension comme c est le cas des transistors { effet de champ que nous étudierons plus loin. Le transistor bipolaire fonctionne, en mode active, comme un amplificateur dans lequel un faible courant de base ib contrôle un grand courant sur le collecteur ic. le courant ic provient essentiellement du courant de trous. Le courant de base correspond à des 3
électrons qui sont injectés dans la base. L origine de processus d amplification provient de ce que la neutralité électrique est préservée. III-5 : Résumé du fonctionnement d un transistor : La figure 3 représente les densités de porteurs n et p dans un transistor PNP pour les différents régimes de fonctionnement : actif, bloqué, saturé et inversé. - Dans le régime actif, la jonction émetteur-base est polarisée en mode direct et la jonction base-collecteur en mode inverse. - Dans le mode bloqué, les deux jonctions sont polarisées en mode inverse. - Dans le mode saturé, les deux jonctions sont polarisées en direct. - Dans le mode inversé, la jonction émetteur-base est polarisée en inverse et la jonction base-collecteur en direct. Figure 3 : Les divers modes de fonctionnement d un bipolaire PNP. La figure représente les densités des minoritaires en fonction des tensions appliquées aux deux jonctions. 4
EXCERCISES SUPPLIMENTAIRES : EXERCICE 1 : -Déterminer les valeurs de n0 et p0, pour le silicium { T=300k.Si l énergie de Fermi est de 0.22 ev au-dessus de l énergie de la bande de valence. On donne quelques propriétés de Silicium àt=300k. Eg (ev) Nc (cm -3 ) Nv (cm -3 ) ni (cm -3) Si 1.12 2.8*10 19 1.04*10 19 1.5*10 10 Nc et Nv sont les densités d état effectif dans la bande de conduction et la bande de valence. KB(constante de Boltzman=1.38062*10-23 J.k -1 ). EXERCICE 2 : La valeur généralement admise de ni pour le silicuim à T=300k est approximativement 1.5*10 10 cm -3.Si la concentration d électrons dans le silicium { T=300k est n0 5.10 4 cm -3. -p0. Ce matériau est de type N ou P? -la position du niveau de Fermi par rapport au niveau de Fermi intrinsèque. EXERCICE 3: On considère une jonction p + n en silicium à 300k.la zone n est dopé à 10 16 atomes cm -3 et la zone p à 10 18 atomes cm -3.On supposera que le nombre de porteurs du silicium intrinsèque est ni=1.45*10 10 cm -3 et que la constante diélectrique relative du silicium vaut 1-Calculer la hauteur de la barrière de la jonction en l absence de polarisation. 2-Calculer le nbre d électrons dans la zone p et le nbre des trous dans la zone n. 3-Calculer l épaisseur de la zone de déplétion de la région p et celle de la région n en l absence de polarisation. 4-Que deviennent ces épaisseurs lorsque la diode est polarisée en inverse avec une tension de 5V et lorsqu elle est polarisée en direct avec une tension de 0.5V. EXERCICE 4 : On considère un transistor silicium npn à 300k. La base, qui a une épaisseur de 1µm, est dopé avec Na=5.10 15 atomes cm -3 et le collecteur avec Nd=5.10 16 atomes cm -3. -Calculer la largeur de la base lorsque la tension de polarisation de la base collecteur (dans le sens bloquant) est de Vbc=5V. (ni =1.45.10 10 cm -3 et 5
SOLUTIONS : EXERCICE 1 : -Les valeurs de n0 et p0 sont les suivantes: p0= Nv.exp-(EF-Ev/KB.T) n0= Nc.exp-(Ec-EF/KB.T) Ec Eg=1.12 ev Ev 0.22ev EF AN: p0= 1,04.10 19 exp-(0,22/(1,38062.10-23 /1,6.10-19 ).300)= 1, 04.10 19 exp-(0, 22/0,0259) p0= 2, 13.10 15 cm -3. n0= 2,8.10 19 exp-(0,9/0,0259)=2,3.10 4 cm -3. EXERCICE 2 : -la concentration des trous P0 à T=300k est donné par : P0= ni 2 /n0 (à T=300k tous les impuretés dopantes sont pratiquement ionisées). AN : -P0= (1,5.10 10 ) 2 / (5.10 4 )= 4,5.10 15 cm -3. -Puisque P0>n0. Ce matériau est un semi-conducteur de type P. -La position de niveau de Fermi par rapport au niveau de Fermi intrinsèque vaut : EFi- EFP= KB.T.ln (P0/ ni). AN : EFi- EFP= 0,0259.ln (4,5.10 15 / 1,5.10 10 ) = 0,326 ev. Ec EFi EFP 0.326 ev EXERCICE 3: Ev 1- La hauteur de la barrière de la Jonction en absence de polarisation est donnée par la formule suivante: ev0= KB.T. ln (Na. Nd /ni 2 )= 0,0259 ln (10 16.10 18 /(1,45.10 10 ) 2 )= 0,816 ev. 2-Le nombre des électrons dans la zone p et le nombre des trous dans la zone n vaut : les donneurs sont complètement ionisées donc, ne (n) =Na= 10 16 cm -3, nh (p) =Nd= 10 18 cm -3 6
Pour la zone n ; on a ne (n) *nh (n) = ni 2 donc nh (n) =ni 2 / ne (n) = 2,1.10 4 cm -3. Pour la zone p ; on a ne (p) *nh (p) = ni 2 donc ne (p) =ni 2 / nh (p) = 2,1.10 2 cm -3. 3-La largeur des zones de déplétion en absence de polarisation dans les régions n et p est calculée à partir des équations suivantes : Lp= (2.ɛ.V0.Nd)/(e.Na(Na+Nd)) et Ln= (2.ɛ.V0.Na)/(e.Nd (Na+Nd)) AN: On donne ɛ= ɛr.ɛ0, ɛ0=8,854.10-12 F.m -1, 10 16 cm -3 = 10 22 m -3, 10 18 cm -3 = 10 24 m -3 Lp = (2.11,9.8,854.10-12. 0,816.10 22 )/(1,6.10-19.10 24 (10 22 +10 24 ))= 3,26.10-9 m=32,6 A. On trouverait de même : Ln = 0.33 µm. 4- Pour une tension de polarisation Va= 5V en inverse, la barrière devient V0+ Va=5,816 V. En utilisant les mêmes formules on obtient: Lp = 32,6* (5,816/0,816)= 87,1 A. Ln = 0,33* (5,816/0,816)= 0,88 µm. -Pour une tension de 0,5 V dans le sens direct (passant), la barrière devient V0-Va=0,316 V cela nous donne ; Lp = 32,6. (0,316/0,816)= 20,3 A et Ln = 0,33* (0,316/0,816)= 0,20 µm. EXERCICE 4 : -Le calcul est analogue { celui d une jonction pn, la largeur de la zone de déplétion vaut : Lb= (2. ɛ (V0+Vbc).Nd)/(e.Na(Na+Nd)). Avant, on doit trouver la tension de la jonction base-collecteur { l aide de l équation suivante : ev0= KB.T. ln (Na.Nd/ni 2 )= 0,0259.ln (5.10 15.5.10 16 / (1,45.10 10 ) 2 )= 0,72 ev. Pour une tension appliquée de 5V, on a : Lb= (2.11,9.8,854.10-12 (0,72+5).5.10 22 )/(1,6.10-19.5.10 21 (5.10 21 +5.10 22 )) Lb = 1,17 µm. 7