Transistor Bipolaire

1. Transistor Bipolaire

2. H. Mathieu, « Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques », 4° édition, Masson 1998. D.A. Neamen, « semiconductor physics and devices », McGraw-Hill, Inc 2003. P. Leturcq et G.Rey, « Physique des composants actifs à semi-conducteurs », Dunod Université, 1985. J. Singh, « semiconductors devices :an introduction », McGraw-Hill, Inc 1994. Y. Taur et T.H. Ning, « Fundamentals of Modern VLSI devices », Cambridge University Press, 1998. K.K. Ng, « complete guide to semiconductor devices », McGraw-Hill, Inc 1995. D.J. Roulston, « Bipolar semiconductor devices », McGraw-Hill, Inc 1990. Références:

3. Plan • Principe de fonctionnement • Caractéristiques statiques • Équations d’Ebers-Moll • Paramètres statiques – gains • Effets du second ordre • Transistor en commutation • Transistor en HF • Transistor à Hétéro-jonction TBH ou HBT

4. C B E npn Principe de fonctionnement • Géométrie: • Latéral • Vertical • Dans les circuits numériques, structure verticale vertical latéral

5. Géométrie conventionnelle sur IC Muller et Kamins, « device electronics for IC »,2nd Ed., Wiley, 1986

6. Géométrie avec oxyde d’isolation Muller et Kamins, « device electronics for IC »,2nd Ed., Wiley, 1986

7. Principe de fonctionnement • 2 jonctions pn tête bêche. • La première (EB) sert à injecter les porteurs • La deuxième (BC) à les collecter

8. Principe de fonctionnement • Jonction en inverse: • Courant faible car « réservoir » vide • En modulant le remplissage du réservoir, modulation du courant inverse collecté (collecteur) • On remplit le réservoir (la base) en polarisant en direct la jonction EB

9. Principe de fonctionnement • La polarisation inverse CB permet de créer un champ électrique favorable à la collecte. • Conditions: • Base fine: • Éviter les recombinaisons • Base peu dopée /émetteur • Privilégie un seul type de porteurs injectés (meilleure efficacité d’injection)

10. Caractéristiques statiques Transistor NPN Transistor NPN

11. Distribution des porteurs minoritaires dans transistor npn idéal Avec recombinaisons

12. Caractéristiques statiques +hyp simp Pas de recombinaisons dans la Base ! ( ) Approximation « 1D » Dopage homogène de la Base Faible Injection Transistor PNP

13. Dans la base: Équation de continuité Or et Intégration de E-B à C-B: Soit encore: En régime normal, Jnnégatif ( e- vers x<0) Calcul des différentes composantes du courant. Équations d’Ebers-Moll dans NPN

14. Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN Or: Donc: Courant de saturation des électrons dans un PN « courte » ou sans recombinaison Avec :

15. Dans l’émetteur Dans le collecteur IB IE IC JpE JpC Jn E B C NPN Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN • Courant suivant convention de signes

16. Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN • Soit enfin (!) : Isn

17. Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN • L’expression finale est: avec: charge dans la base : QB + QS

18. Paramètres statiques du transistor bipolaire • Régime normal de fonctionnement: • E-B en direct et C-B en inverse

19. Paramètres statiques du transistor bipolaire • Efficacité d’injection d’émetteur: • Gain en courant en base commune: • Gain en courant émetteur commun: Rem: si on néglige Recomb dans la base, identique à

20. Paramètres statiques du transistor bipolaire • Facteur de transport dans la base: • Introduction des recombinaisons dans la région neutre de la base

21. Paramètres statiques du transistor bipolaire • Introduction des recombinaisons dans la région déplétée de la base avec WT, largeur de la ZCE E-B. En tenant compte de cela, on doit réécrire le courant de Base:

22. Paramètres statiques du transistor bipolaire • Le gain global en courant s‘écrit alors: • Avec: • le courant de base intrinsèque (pas de recombinaisons) • le courant de recombinaisons dans la région neutre de la Base • le courant de recombinaisons dans la région déplétée E-B

23. n(x) Base QS2 QS1 0 WB Les autres régimes de fonctionnement • Régime saturé: • Les 2 jonctions sont polarisées en direct.

24. Régime saturé • Régime de faible injection: (QS<<QB): • Le courant est du aux charges injectées dans la base, ieQST = QS1 +QS2 • Si base « courte » (voir PN), cette charge est donnée par le surface du ½ trapèze (variation linéaire)

25. n(x) Base QSAT QSN Régime saturé • Régime de faible injection: (QS<<QB): • Autre « représentation » de la charge de saturation (Ablard): • On considère le transistor en régime normal avec une charge QSN correspondant au même courant Icsat + une charge QSAT à calculer QST = QSN+QSAT On obtient alors: Responsable de la dégradation des performances dynamiques 0 WB

26. Régime saturé • Régime de forte injection • Dans ce cas,la densité d’électrons injectés est égale à la densité de trous dans la base ( ) • Une étude similaire à la précédente conduit au résultat suivant: • En fait, ces résultats doivent être modifiés par des effets secondaires ou parasites

27. Effets secondaires • Visualisation sur un « Gummel plot »: • Représentation de IC et IB en fonction de VBE 3 1 2

28. Effets secondaires • Effet Early , effet de perçage du collecteur • Claquage de la jonction Base - Collecteur • Résistances série d’Émetteur et de Base • Diminution (« collapse ») de Ic à fort courants • Défocalisation (« crowding effect ») du courant

29. Effet Early - Perçage • À « première vue », Ic indépendant de VCB • En fait, modulation de la largeur de la région neutre de la base, donc QB+QS , doncIc ! Si VBC ZCE B-C WB QB+QS Ic

30. Effet Early - Perçage • Cas limite: • ZCE BC « déplète » totalement la base • Le collecteur injecte alors du courant directement dans E. • Courant uniquement limité par Rsérie E + C

31. Claquage de la jonction B - C • Avalanche de la jonction B-C: • Apparaît souvent avant le perçage • Comment l’éviter? • Diminuer le champ électrique: • Diminuer le gradient de dopage dans le collecteur • Couche peu dopée entre Base et collecteur Ionisation par impacts

32. Résistance d’émetteur et de la base (effet 3) • À bas courant, effets négligeables • Pour circuit rapides, B-C tjs en inverse (rc2 et rc3le pluspetit possible) • Résistances rc peu d’effet • Seules re et rb jouent un rôle. • Chute de potentiel dans ces résistances

33. Diminution (« collapse ») de Ic à fort courant (effet 1) • Plusieurs facteurs peuvent entraîner la diminution de IC0: • Augmentation de la charge dans le Base (neutralité) • Augmentation de la largeur de la région neutre de la Base(déplacement de la ZCE vers le collecteur): effet Kirk r(x) r(x) Nc-Dn Nc Wb0 Wb0 E’ E’ C’ C’ Nb Nb+Dn

34. Et l’effet 2 ????????????????

35. Défocalisation du courant (« crowding effect ») • L’image d’un dispositif à une dimension est une approximation • Le  bord du contact émetteur est plus polarisé que le centre • Favorise une forte densité de courant • Pas bon pour les composants de puissance • Solutions: technologie inter digitée

36. Transistor bipolaire = interrupteur ? • État ON : interrupteur fermé (Tr. Saturé) • État OFF: interrupteur ouvert (Tr. Bloqué)

37. Transistor bipolaire = interrupteur ? • Signal de commande (d’entrée) le plus faible possible • Puissance de commande la plus petite possible Emetteur Commun

38. Transistor bipolaire = interrupteur ? • À quelle vitesse, l’interrupteur fonctionne-t-il ? • Facteurs limitatifs ? • La charge dans la base s’écrit: • Le courant collecteur est donné par: temps de transit dans la Base (courte) • Temps de mise en conduction: • Équation de continuité de la charge:

39. Transistor bipolaire = interrupteur ? • Mise en conduction: • IC augmente jusqu’à atteindre : (on néglige VCEsat ) • La charge limite QB(ton) pour saturer le transistor est donnée par (tr19): • Le temps de mise en conduction est donné par:

40. Transistor bipolaire = interrupteur ? • Remarque: la charge peut augmenter pour sursaturer le transistor • Temps de Blocage: entrée à « 0 »: • Évacuation de la charge stockée • C’est le temps de stockagets • Au delà, même phénomène que jonction PN Valeur finale:

41. Transistor bipolaire = interrupteur ? • Le temps de stockage (de désaturation) limite la vitesse de commutation • 2 façons pour le réduire: • Impuretés qui « tuent » la durée de vie dans la Base • Diode Schottky en // sur la diode C-B: évite la sursaturationdu transistor

42. Cµ IB Transistor en ac: schéma équivalent

43. Transistor en ac: schéma équivalent • Transconductance  :relie la variation du courant collecteur à la tension Base – Emetteur, soit  • Résistance d’entrée  : elle relie la variation de la tension Base – Emetteur au courant de base, soit  • Résistance de sortie

44. Transistor en ac: schéma équivalent • Capacité  :  • capacité de stockage • temps de transit • Capacité   : capacité de jonction de la jonction C –B polarisée en inverse   • Capacité de la couche de déplétion de la diode collecteur – substrat

45. Transistor en ac: schéma équivalent • Fréquence de coupure (gain en courant =1) • Le gain en courant est donc donné par:

46. Transistor en ac: schéma équivalent • À basse fréquence: • Dans les transistors modernes, en général, • À hautes fréquences, PI domine

47. Transistor en ac: schéma équivalent • On obtient alors la fréquence de coupure (« cutoff frequency ») en faisant iC/iB=1 • Soit encore Temps de transit en direct

48. Transistor en ac: schéma équivalent • Fréquence max (« maximun oscillation frequency ») gain en puissance=1 • Tient compte de la résistance de Base

49. Transistor Bipolaire à Hétérojonction • Expression du gain : • Si la base est courte:

50. Transistor Bipolaire à Hétérojonction • Pour un gain en courant le plus grand possible, on doit avoir un le plus proche de l’unité. • Diminuer le dopage de la Base • Diminuer la longueur de la Base (att! Au perçage) Augmente la résistance de la Base, donc diminue fmax