1 . transistor bipolaire - sur le site de Claude Lahache

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 . TRANSISTOR BIPOLAIRE
Constitution :
Connexion
base
Connexion
émetteur
Zone N
Isolant
(SiO2)
Zone P
Zone N
Connexion
collecteur
Dopages : L’émetteur est très dopé (1022 à 1024 centres/m3)
La base est peu dopée (1017 à1020 centres/m3)
Le collecteur est à peu près dopé comme l’émetteur.
N
Symboles : NPN
L’effet transistor :
P
N
PNP
R1
E
C
R2
Soit un transistor NPN, pour lequel on rend la
jonction base-émetteur passante et la jonction
base-collecteur bloquée, par exemple comme dans
le montage de droite :
Il existe donc un courant IB, 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
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.
Dans ce mécanisme, l’existence même du courant de base
peut être considérée comme un « accident » !
La loi des nœuds impose : IE = IB + IC
au vu de la très faible fraction d’électrons recombinés
dans la base, on a IB << IE et IE ≈ IC
On définit 2 paramètres caractéristiques :
αcc = IC
IE
R1
E
R2
C
IE
IB
IC
B
0,95 ≤ αCC ≤ 0,999 (« gain » en courant en base commune)
βcc = IC = α
IB 1 − α
20 ≤ βCC ≤ 1000 (« gain » en courant en émetteur commun)
Caractéristiques électriques :
RC
Deux constatations pratiques :
• β est sujet à forte dispersion.
Les constructeurs donnent une fourchette { MIN ; MAX}
pour un courant IC fixé, avec MAX ≈ 2 à 3 × MIN !
• β augmente avec la température (agitation thermique) :
soit
-
dβ
= ε.dT
β
β = β0.eεT
-3 -1
ε ≈ 6×10 K
IC
RB
IB
VCE
VBB
VCC
IE
VBE
Caractéristique d’entrée : IB en fonction de VBE.
C’est la caractéristique courant-tension de
la jonction base-émetteur ; son équation peut être
approchée par le modèle exponentiel :
IB
VBE
I B ≈ I BS .(e U T − 1)
avec UT = η kT ≈ 25mV à 300K
e
Noter la faible tenue en inverse de la jonction baseémetteur : Environ 5 à 7V.
Influence de la température :
VBE décroit de 2,5mV/°C pour le silicium
Modèle linéarisé :
VBE = E0 + R0IB si VBE ≥ E0
IB = 0 si VBE < E0
VBE
-5 à –7V
0
0,7V
- Caractéristiques de sortie : IC en fonction de VCE.
On peut en définir une infinité, selon la valeur du courant de
base.
IB apparaît ainsi comme la grandeur de commande d’un
transistor bipolaire.
Une caractéristique donnée comporte 3 zones :
Saturation : Jonctions BE et BC passantes ; IC dépend fortement
de VCE (mais pratiquement pas de la valeur de IB).
Linéaire : Jonction BE passante, jonction BC bloquée ; IC est
pratiquement indépendant de VCE, mais est proportionnel à IB.
IC
Claquage : Au delà d’une valeur maximale de VCE, la jonction
base-émetteur part en avalanche.
0
0,7V
saturation
(VCEmax ≈ 20V à 60V pour un transistor d’usage général, mais
peut dépasser 200V pour un transistor HT)
VCEmax VCE
linéaire
claquage
Dans la zone linéaire : IC = β IB + VCE (+ICEo)
RS
d’où possibilité de modélisation (Norton) entre C et E.
ICE0 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 : IC en fonction de IB.
A chaque valeur de IB, il correspond une caractéristique de sortie. (réseau)
La caractéristique de transfert du transistor est la courbe représentant IC en fonction de IB, à VCE fixé.
Cette caractéristique est approximativement linéaire
ICMAX
IC
PMAX
Ci-contre : Ensemble des caractéristiques
d’un transistor bipolaire (NPN).
VCE
IB
0
VCEMAX
VBE
Le fonctionnement du transistor est limité par un courant collecteur maximal (ICMAX), Une tension collecteur
émetteur maximale (VCEMAX) et une puissance maximale dissipée (PMAX).
Ces 3 limites définissent une surface de travail dans le plan {IC ; VCE} nommée aire de sécurité.
La puissance dissipée est, en toute rigueur P = VBE.IB + VCE.IC, qu’on peut aisément approcher par P ≈ VCE.IC.
P
Pour P = PMAX, on a I C = MAX , 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
IC supplémentaire, donc une augmentation de P, 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.
2 . TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)
Constitution :
(Junction Field Effect Transistor)
Isolant
(SiO2)
Connexion
source(S)
P
P
Connexion
grille(G)
N
Connexion
drain(D)
P
Connexion
substrat
P
N
Symboles : Canal N
N
P
Canal P
L’Effet de Champ
Consiste à faire varier la conductivité du canal en jouant sur la polarisation inverse de la jonction PN
(grille-canal) .
Plus la jonction est polarisée en inverse et plus la zone de transition (isolante) s’élargit :
(donc plus la section conductrice du canal diminue)
ID
Fonctionnement typique :
VGS ≤ 0V ; VDS > 0V ; ; IG ≈ 0 ; ID > 0
N
Le transistor à effet de champ est commandé par VGS.
P
P
VDS
La zone de transition est plus large côté drain.
VGS
ID = 0
Si VGS suffisamment négatif, la largeur de canal devient nulle.
Le canal est pincé pour VGS ≤ VP
VP est la tension de pincement.
VP est sujette à dispersion.
N
P
VGS ≤ VP
P
VDS
Caractéristiques électriques.
-
Entrée : IG en fonction de VGS
IG ≈ 0 ; cette caractéristique ne présente aucun intérêt.
-
Sortie : ID en fonction de VDS.
ID
VGS est fixée.
La courbe présente 2 zones, séparées par un coude :
zone 1 :ID augmente avec VDS ; comportement résistif
zone 2 :ID indépendant de VDS ; zone de saturation.
zone 2
zone 1
Au voisinage de l’origine ( VDS < 0,5V env.),
zone ohmique : R DS = R DS0
1 − VGS
VP
0
VDS
ID
IDSS
-
Transfert : ID en fonction de VGS.
VDS est fixée.
Courbe assimilable à un arc de parabole :
2
ID = IDSS 1 − VGS
VP
IDSS , courant de drain maximal observable (à VGS = 0)
est sujet à dispersion.
VGS
VP
-
0
Réseau de caractéristiques.
On définit un réseau de caractéristiques de sortie, paramétrées par la valeur (<0) de VGS.
ID
VGS = 0
VGS1 < 0
VGS2 < VGS1
VGS ≤ VP
VGS
0
VDS
3 . TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP MOS (MOSFET)
(Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor)
Capacité MOS
Connexion
grille
Isolant
(Si02)
Semiconducteur
dopé
Connexion
substrat
G
Accumulation
d’électrons
VG > 0
Semiconducteur
dopé N
G
-3V< VG < 0
Le phénomène d’inversion
Zone N
G
Zone d’inversion P
VG < -3V
Zone N
Différents types de transistors MOS.
#
! "!
Source
%
"$
Grille
Drain
Source
Grille
Drain
Canal N induit
Substrat
Canal P induit
Substrat
#* '
$ ''$ ( ) !
%
!
Grille
Source
Source
Drain
Grille
Drain
Canal N diffusé
Canal P diffusé
Substrat
Substrat
Principe 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 VGS = 0, la résistance drain – source est infinie ; il faut VGS > 3V (canal N) ou VGS < -3V (canal P) pour
induire le phénomène d’inversion et créer un canal conducteur entre drain et source.
ID
ID
VGS > VT
ID≥ 0
VDS≥ 0
VGS ≈ VT
VGS≥ 0
VGS
0
VDS
!
0
VT ≈ 3V
ID ≈ K(VGS − VT )2
ID
ID
VT ≈ - 3V
0
0
VGS
ID≤ 0
VGS ≈ VT
VDS≤ 0
VGS≤ 0
VGS < VT
!
&
VDS
-MOS à appauvrissement. Le canal existe au départ
A VGS = 0, il y a déjà conduction possible entre drain et source. Pour un NMOS, le transistor sera bloqué
pour VGS ≤ -3V et de plus en plus conducteur pour VGS > -3V ; pour un PMOS, phénomène inverse.
ID
ID
VGS > 0
ID≥ 0
VDS≥ 0
VGS < 0
VGS
VT ≈ -3V
VGS = 0
VGS
IDSS
!
0
ID ≈ IDSS 1 − VGS
VT
0
2
ID
ID
VT ≈ 3V
0
VDS
0
VGS
ID≤ 0
VGS > 0
IDSS
VDS≤ 0
VGS
VGS = 0
VGS < 0
!
+
VDS
TRANSISTORS MOS DE PUISSANCE
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
,