Transistor Bipolaire 1 Plan n n n n

Transistor Bipolaire 1

Plan n n n n 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 2

Principe de fonctionnement n Géométrie: n Latéral n Vertical n Dans les circuits numériques, structure vertical latéral 3

Principe de fonctionnement n n n 2 jonctions pn tête bêche. La première (EB) sert à injecter les porteurs La deuxième (BC) à les collecter 4

Principe de fonctionnement n Jonction en inverse: n n n 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 5

Principe de fonctionnement n n La polarisation inverse CB permet de créer un champ électrique favorable à la collecte. Conditions: n Base fine: n n Éviter les recombinaisons Base peu dopée /émetteur n Privilégie un seul type de porteurs injectés (meilleure efficacité d’injection) 6

Caractéristiques statiques Transistor NPN Transistor PNP 7

Caractéristiques statiques +hyp simp Pas de recombinaisons dans la Base ! ( ) Approximation « 1 D » Dopage homogène de la Base Faible Injection Transistor PNP 8

Calcul des différentes composantes du courant. Équations d’Ebers-Moll dans NPN n Dans la base: n Équation de continuité n Or et n n Soit encore: n En régime normal, Jn négatif ( e- vers x<0) Intégration de E-B à C-B: 9

Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN n Dans l’émetteur n Courant suivant convention de signes n Dans le collecteur IB IE Jp. E E Jn B IC Jp. C C NPN 10

Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN n Soit enfin (!) : Isn 11

Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN n L’expression finale est: avec: charge dans la base : QB + QS 12

Paramètres statiques du transistor bipolaire n Régime normal de fonctionnement: Régime normal de fonctionnement n E-B en direct et C-B en inverse 13

Paramètres statiques du transistor bipolaire n Efficacité d’injection d’émetteur: n Gain en courant en base commune: n Gain en courant émetteur commun: Rem: si on néglige Recomb dans la base, identique à 14

Paramètres statiques du transistor bipolaire n Facteur de transport dans la base: n Introduction des recombinaisons dans la région neutre de la base 15

Paramètres statiques du transistor bipolaire n 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: 16

Paramètres statiques du transistor bipolaire n Le gain global en courant s‘écrit alors: n Avec: n n n 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 17

Les autres régimes de fonctionnement n Régime saturé: n Les 2 jonctions sont polarisées en direct. n(x) Base QS 2 QS 1 0 WB 18

Régime saturé n Régime de faible injection: (QS<<QB): n n Le courant est du aux charges injectées dans la base, ie QS = QS 1 +QS 2 Si base « courte » (voir PN), cette charge est donnée par le surface du ½ trapèze 19

Régime saturé n Régime de faible injection: (QS<<QB): n Autre « représentation » de la charge de saturation (Ablard): Ablard n On considère le transistor en régime normal avec une charge QSN correspondant au même courant Icsat + une charge QSAT à calculer n(x) QST = QSN+QSAT Base On obtient alors: alors QSAT QSN 0 WB Responsable de la dégradation des performances dynamiques 20

Régime saturé n Régime de forte injection n Dans ce cas, la densité d’électrons injectés est égale à la densité de n n trous dans la base ( ) Une études similaire à la précédente conduit au résultat suivant: En fait, ces résultats doivent être modifiés par des effets 21 secondaires ou parasites

Effets secondaires n Visualisation sur un « Gummel plot » : n Représentation de IC et IB en fonction de VBE 1 3 2 22

Effets secondaires n Effet Early , effet de perçage du collecteur n Claquage de la jonction Base - Collecteur n Résistances série d’Émetteur et de Base n Diminution ( « collapse » ) de Ic à fort courants n Défocalisation ( « crowding effect » ) du courant 23

Effet Early - Perçage n À « première vue » , Ic indépendant de VCB n En fait, modulation de la largeur de la région neutre de la base, donc QB+QS , donc Ic ! Si VBC ZCE B-C WB Ic QB+QS 24

Effet Early - Perçage n Cas limite: n n n ZCE BC « déplète » totalement la base Le collecteur injecte alors du courant directement dans E. Courant uniquement limité par Rsérie E + C 25

Claquage de la jonction B - C n Avalanche de la jonction B -C: n n Apparaît souvent avant le perçage Comment l’éviter? n n n Ionisation par impacts Diminuer le champ électrique Diminuer le gradient de dopage dans le collecteur Couche peu dopée entre Base et collecteur 26

Résistance d’émetteur et de la base n n À bas courant, effets négligeables Pour circuit rapides, B-C tjs en inverse (rc le plus petit possible) n n Résistances rc peu d’effet Seules re et rb jouent un rôle. n Chute de potentiel dans ces résistances 27

Diminution ( « collapse » ) de Ic à fort courant n Plusieurs facteurs peuvent entraîner la diminution de IC 0: n n 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 28

Défocalisation du courant ( « crowding effect » ) n n n 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 29

Transistor bipolaire = interrupteur ? n État ON : interrupteur fermé (Tr. Saturé) n État OFF: interrupteur ouvert (Tr. Bloqué) 30

Transistor bipolaire = interrupteur ? n n Signal de commande (d’entrée) le plus faible possible Puissance de commande la plus petite possible Emetteur Commun 31

Transistor bipolaire = interrupteur ? n n n À quelle vitesse, l’interrupteur fonctionne-t -il ? Facteurs limitatifs ? Temps de mise en conduction: n Équation de continuité de la charge: n La charge dans la base s’écrit: n Le courant collecteur est donné par: temps de transit dans la Base (courte) 32

Transistor bipolaire = interrupteur ? n Mise en conduction: IC augmente jusqu’à atteindre : (on néglige VCEsat ) n n La charge limite QB(ton) pour saturer le transistor est donnée par: n Le temps de mise en conduction est donné par: 33

Transistor bipolaire = interrupteur ? n n Remarque: la charge peut augmenter pour sursaturer le transistor Valeur finale: Temps de Blocage: entrée à « 0 » : n Évacuation de la charge stockée n C’est le temps de stockage ts n Au delà, même phénomène que jonction PN 34

Transistor bipolaire = interrupteur ? n n Le temps de stockage (de désaturation) limite la vitesse de commutation 2 façon pour le réduire: n n Impuretés qui « tuent » la durée de vie dans la Base Diode Schottky en // sur la diode C-B: évite la sursaturation du transistor 35

Transistor en ac: schéma équivalent IB Cµ 36

Transistor en ac: schéma équivalent n Transconductance : relie la variation du courant collecteur à la tension Base – Emetteur, soit n Résistance d’entrée : elle relie la variation de la tension Base – Emetteur au courant de base, soit n Résistance de sortie 37

Transistor en ac: schéma équivalent n Capacité : n capacité de stockage n temps de transit n Capacité : capacité de jonction de la jonction C –B polarisée en inverse n Capacité de la couche de déplétion de la diode collecteur – substrat 38

Transistor en ac: schéma équivalent n Fréquence de coupure (gain en courant =1) n Le gain en courant est donc donné par: 39

Transistor en ac: schéma équivalent n À basse fréquence: n n Dans les transistors modernes, en général, À hautes fréquences, PI domine 40

Transistor en ac: schéma équivalent n On obtient alors la fréquence de coupure ( « cutoff frequency » ) en faisant i. C/i. B=1 n Soit encore Temps de transit en direct 41

Transistor en ac: schéma équivalent n Fréquence max ( « maximun oscillation frequency » ) gain en puissance=1 n Tient compte de la résistance de Base 42

Transistor Bipolaire à Hétérojonction n Expression du gain : n Si la base est courte: 43

Transistor Bipolaire à Hétérojonction n Pour un gain en courant le plus grand possible, on doit avoir un le plus proche de l’unité. n n Diminuer le dopage de la Base Diminuer la longueur de la Base Augmente la résistance de la Base, donc diminue fmax 44

Transistor Bipolaire à Hétérojonction n Autre solution: n Augmenter le dopage de l’émetteur n Améliore l’efficacité d’injection n Pb: « gap shrinking » 45

Transistor Bipolaire à Hétérojonction On voit donc qu’il est difficile de concilier un fort dopage d’émetteur, une base peu dopée et fine avec un gain important 46

Transistor Bipolaire à Hétérojonction n On « construit » une structure à différence de « gap » négatif: n Le TBH ou HBT 47

Besoins pour les dispos bipolaires • Fort gain • Efficacité d’émetteur forte • Vitesse élevée Demandes et Problèmes d’un BJT Demandes Problèmes émetteur fortement dopé Diminution du Gap: => injection par la Base peu dopée Base étroite Forte résistance Base Solution: Transistors Bipolaire à hétéro-jonction • Emetteur fortement dopé en utilisant un SC à gap plus grand que celui de la Base • Base peut être fortement dopée et étroite sans augmenter la résistance de base • Collecteur peut être choisi tel que la tension de claquage soit élevée 48

Dispositifs Bipolaires Si peut être combiné avec: TBH avec Si: • Si/Si. Ge très prometteur avec fréquence de coupure de l’ordre de 100 GHz • Silicium amorphe (Eg=1. 5 e. V) • Si. C (Eg=2. 2 e. V) • Polysilicium (Eg=1. 5 e. V) TBH Ga. As/Al. Ga. As • ft =150 GHz • Qualité de l’interface excellente => TBH de hautes performances • Composants intégrés monolithiquement avec dispo optoélectronique • In. Ga. As/In. Al. AS et In. Ga. As/In. P TBHs • Les valeurs de ft > 180 GHz • Accord de maille avec In. P • Intégration avec composants optoélectroniques • Filière Ga. N/Al. Ga. N • Haute fréquence • Évacuation thermique (puissance) 49

Les applications des « Bipolaires » Applications numériques • Les « dispos » sont utilisés en mode saturé et non saturé Logique saturée (intégration élevée) • Integrated Injection Logic (I 2 L) • Transistor-Transistor Logic (TTL) Applications mémoires Bipolaire : mémoires statiques MOS : mémoires dynamiques Applications Bi-CMOS Combinaisons des 2 technologies: On a l’avantage des 2: =>fort développement MMIC (Microwave Millimeter Propriétés HF, puissance Integrated Circuit) => amplificateurs, convertisseurs A/N 50

Références: n n n H. Mathieu, « Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques » , 4° édition, Masson 1998. P. Leturcq et G. Rey, « Physique des composants actifs à semiconducteurs » , Dunod Université, 1985. J. Singh, « semiconductors devices : an introduction » , Mc. Graw -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 » , Mc. Graw -Hill, Inc 1995. D. J. Roulston, « Bipolar semiconductor devices » , Mc. Graw. Hill, Inc 1990. 51