Transistor Bipolaire [Mode de...

TRANSISTOR BIPOLAIRE

1

Références:

2

• H. Mathieu, « Physique des semi-conducteurs et des composantsélectroniques », 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.

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

3

Géométrie conventionnelle

• Géométrie:• Latérale• Verticale

• Dans les circuits numériques, structure verticale

4

latéral

vertical

npn

BC

E

Géométrie conventionnelle sur IC

5

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

Géométrie avec oxyde d’isolation

6

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

Pourquoi le BJT fait de la résistance?

• Vitesse de fonctionnement• Faible bruit• Fort gain• Faible résistance de sortie

• On le retrouve encore dans les téléphones portables (parie analogique)

• Faible densité, souvent sur les étage de puissance• BiCMOS

7

Amplificateuranalogue

Principe de fonctionnement

• 2 jonctions pn tête bêche.

• La première (EB) sert à injecter les porteurs

• La deuxième (BC) à les collecter

8


• 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


• 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 statiques11

Transistor NPN Transistor NPN

12

Distribution des porteurs minoritaires dans transistor npn

idéal

Avec recombinaisons

Caractéristiques statiques +hyp simp13

Transistor PNP

Pas de recombinaisons dans laBase ! ( )

Approximation « 1D »

Dopage homogène de laBase

Faible Injection

Calcul des différentes composantes du courant. Équations d’Ebers-Moll dans NPN

• 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)

14

dxnpd

eDJ

neDJ

pp

p

n

n ).(

dxnpd

eDJ

neDJ

pp

p

n

n ).(

pn JJ pn

dxnpd

eDJ

pn

n ).(

dxnpd

eDJ

pn

n ).(

'

'

)(

)exp()exp(2

C

E

BCBE

inbn

dxxp

kTeV

kTeV

neDJ

'

'

)(

)exp()exp(2

C

E

BCBE

inbn

dxxp

kTeV

kTeV

neDJ

'

'

)(

)1()1(2

C

E

kTeV

kTeV

inbn

dxxp

eeneDJ

BCBE

'

'

)(

)1()1(2

C

E

kTeV

kTeV

inbn

dxxp

eeneDJ

BCBE

Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN

15

)1(

)()1(

)()(

)1()1(

'

'

'

'

'

'

222 kT

eV

C

E

inbkTeV

C

E

inbC

E

kTeV

kTeV

inbn

BCBE

BCBE

edxxp

neDedxxp

neD

dxxp

eeneDJ

)1(

)()1(

)()(

)1()1(

'

'

'

'

'

'

222 kT

eV

C

E

inbkTeV

C

E

inbC

E

kTeV

kTeV

inbn

BCBE

BCBE

edxxp

neDedxxp

neD

dxxp

eeneDJ

Or:

BeffA

C

E

WNdxxpB

'

'

)( BeffA

C

E

WNdxxpB

'

'

)(

Donc:

)1()1()1()1(

22kT

eVkT

eV

SnkT

eV

BeffA

nbikTeV

BeffA

nbin

BCBEBC

B

BE

B

eeIeWNDene

WNDenJ

)1()1()1()1(

22kT

eVkT

eV

SnkT

eV

BeffA

nbikTeV

BeffA

nbin

BCBEBC

B

BE

B

eeIeWNDene

WNDenJ

Avec :BeffA

nbiSn WN

DenIB

2

BeffA

nbiSn WN

DenIB

2

Courant de saturation des électrons dans un PN « courte » ou sans recombinaison


• Dans l’émetteur • Dans le collecteur

16

1)exp(

kTeVJJ BE

spEpE

1)exp(

kTeVJJ BC

spCpC

Courant suivant convention de signes

pCpEECB

npCC

npEE

IIIII

III

III

E B C

JpE Jn JpCIE

IB

IC

NPN


• Soit enfin (!) :

17

)1(exp)(

)1](exp)(

[ '

'

'

'

22

kT

eV

dxxp

DAenkT

eVIdxxp

DAenIII BCC

E

nbiBEspEC

E

nbipEnE

)1](exp)(

[)1(exp)(

'

'

'

'

22

kT

eVIdxxp

DAenkT

eV

dxxp

DAenIII BCspCC

E

nbiBEC

E

nbipCnC

1)exp(1)exp(

kTeVI

kTeVIIIIII BC

spCBE

spEpCpECEB

Isn


• L’expression finale est:

18

)1(exp)1(exp21

kT

eVI

kTeV

II BCSI

BESE

)1(exp)1(exp21

kT

eVI

kTeVII BC

SBE

SNC

avec:

ED

pei

C

E

nbiS

xN

DAen

dxxep

DnAeI

)()(

222

'

'

1

ED

pei

C

E

nbiS

xN

DAen

dxxep

DnAeI

)()(

222

'

'

1

CD

pci

C

E

nbiS xN

DAen

dxxep

DnAeI)()(

222

'

'

2

CD

pci

C

E

nbiS xN

DAen

dxxep

DnAeI)()(

222

'

'

2

charge dans la base : QB + QS

Paramètres statiques du transistor bipolaire

• Régime normal de fonctionnement:• E-B en direct et C-B en inverse

19

kTeV

IQQDnAe

I BESpE

SB

nBiE exp)(

22

kTeV

QQDnAeI BE

SB

nBiC exp)(

22

kTeVIIII BE

SpECEB exp*

kTeV

dxxpneDA

kTeVJAI BE

C

E p

ieBnBE

BECEC exp

)(exp '

'

2

0


• Efficacité d’injection d’émetteur:

• Gain en courant en base commune:

• Gain en courant émetteur commun:

20

Ep

nE I

I

nBi

SBSpE

C

DneQQJI

I

22

).(1

1

1B

C

II Rem: si on néglige Recomb

dans la base, identique à E


• Facteur de transport dans la base:• Introduction des recombinaisons

dans la région neutre de la base

21

n

ppB

n

srB

nnAeXQI eff

2/))0((

t

sC

QI

12

2

2

effB

n

t

n

rB

C

XL

II


• Introduction des recombinaisons dans la région déplétée de la base

22

kTeVW

AenI BE

Ti

rD 2exp

2

avec WT, largeur de la ZCE E-B.

En tenant compte de cela, on doit réécrire le courant de Base:

rDrBBB IIII *


• 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

C

rD

EC

rDrBB

C

B

II

IIII

II

111 *

*BI

rBIrDI

Les autres régimes de fonctionnement

• Régime saturé:• Les 2 jonctions sont polarisées en direct.

24

kTeV

BS

nBikTeV

spEBS

nBiE

BCBE

eQQDnAe

eIQQDnAe

I

2222

kTeV

spCBS

nBikTeV

BS

nBiC

BCBE

eIQQDnAee

QQDnAeI

2222

n(x)

)0(exn

)( Bex Wn

QS1

QS2

Base

0 WB

Régime saturé

• Régime de faible injection: (QS<<QB):• Le courant est dû aux charges injectées dans la base, ie QST

= QS1 +QS2

• Si base « courte » (voir PN), cette charge est donnée par le surface du ½ trapèze (variation linéaire)

25

kTeV

sntkT

eV

A

iBBBS

kTeV

sntkT

eV

A

iBBS

BCBC

BEBE

eJeNnWWxenWQ

eJeNnWxenWQ

2

2

2

1

21)(

21

21)0(

21

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 QSATà calculer

26

0 WB

n(x)

)0(exn

)( Bex Wn

Base

)()0( Bexex Wnn

QSN

QSAT

kTeV

sntkT

eV

sntSN

BBSN

BCBE

eJeJQ

WWnneQ

))()0((21

kTeV

sntkT

eV

sntSN

BBSN

BCBE

eJeJQ

WWnneQ

))()0((21

On obtient alors:

kTeV

sntSAT

BC

eJQ 2 kTeV

sntSAT

BC

eJQ 2

Responsable de la dégradation desperformances dynamiques

QST = QSN+QSAT

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

BkT

eVkT

eV

iS WeeenQBCBE

)(21 22 B

kTeV

kTeV

iS WeeenQBCBE

)(21 22

kTeV

iB

nBkTeV

iB

nBn

BCBE

enWeDen

WeDJ 22 22

kTeV

iB

nBkTeV

iB

nBn

BCBE

enWeDen

WeDJ 22 22

pn

Effets secondaires

• Visualisation sur un « Gummel plot »:• Représentation de IC et IB en fonction de VBE

28

1

2

3

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

• 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 , donc Ic !

30

kTeV

QQDnAeI BE

SB

nBiC exp)(

22

Si VBC WB QB+QS

Ic

ZCE B-C

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

BCZCE

SC

BB

dBC

pBA

W

WeNCQ

V

C

CBB

DSC

DAABpt N

NNNeWV

2)(2

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

32

Ionisation par impacts

BrBfB III BrBfB III

Résistance d’émetteur et de la base (effet 3)

• À bas courant, effets négligeables

• Pour circuit rapides, B-C tjs en inverse (rc2 et rc3 le plus petit possible)• Résistances rc peu d’effet

• Seules re et rb jouent un rôle.• Chute de potentiel dans ces

résistances

33

)exp(

)(

'

'

kTVeII

VVV

rrIIrrIIrV

BEBB

BEBEBE

beBCebBEeBE

0 BEC III

Courant mesuré :IB’

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

34

kTeV

dxxpneDAI

kTeVJAI

BEC

E p

ieBnBEC

BECEC

exp)(

exp

'

'

2

0

Nc

Nb

x)

Wb0

E’ C’

Nc-n

Nb+n

x)

Wb0

E’ C’

35

Et l’effet 2 ????????????????

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)

• État ON : interrupteur fermé (Tr. Saturé)

• État OFF: interrupteur ouvert (Tr. Bloqué)

37


• Signal de commande (d’entrée) le plus faible possible

• Puissance de commande la plus petite possible

Emetteur Commun

• Signal de commande (d’entrée) le plus faible possible

• Puissance de commande la plus petite possible

Emetteur Commun

38


• À quelle vitesse, l’interrupteur fonctionne-t-il ?

• Facteurs limitatifs ?

39

Temps de mise en conduction: Équation de continuité

de la charge:

IdQdt

Qn

B B

n

La charge dans la base s’écrit:

Le courant collecteur est donné par:

temps de transit

dans la Base (courte)

)]exp(1[)(n

nBBtItQ

t

BC

tQtI

)(

)(

)]exp(1[)(

nt

nBc

t

B tIItQ


• Mise en conduction:• IC augmente jusqu’à

atteindre :(on néglige VCEsat )

• La charge limite QB(ton) pour saturer le transistor est donnée par :

• Le temps de mise en conduction est donné par:

40

C

DDC R

VIsat

C

DDC R

VIsat

nB

pBCS D

dIQ sat

2

2

nB

pBCS D

dIQ sat

2

2

)(1

1ln)(1

1ln

Bc

nnBS

nON IIIQt

)(1

1ln)(1

1ln

Bc

nnBS

nON IIIQt

)]exp(1[)(n

nBBtItQ


• 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 stockage ts

• Au delà, même phénomène que jonction PN

41

S

nBnS Q

It

ln

S

nBnS Q

It

ln

Valeur finale:

Bn I


• 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 sursaturation du transistor

42

Transistor en ac: schéma équivalentTransistor en ac: schéma équivalent43

CµIB Ib Ic

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

kTeI

VI

g C

BE

Cm

11

1

hgeI

kTVIr

mBBE

B

11

1

hgeI

kTVIr

mBBE

B

22

11

hIV

VIr

C

A

CE

Co

22

11

hIV

VIr

C

A

CE

Co


• 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

EBTSE CCC

CBTCC

dCSC

mFSE gC

BCBEB tttEF tttt

C

C


• Fréquence de coupure (gain en courant =1)• On « oublie » r0

• Le gain en courant est donc donné par:

46

beµb

beµbemc

vCjCjr

i

vCjvgi

1

21)()/1()( h

CCjrCjg

ii

µ

µm

b

c

21)()/1()( h

CCjrCjg

ii

µ

µm

b

c

Ib Ic

x


• À basse fréquence:• Dans les transistors modernes, en général,

• À hautes fréquences, partie imaginaire domine

47

mµ gC )(1

)(µ

m

b

c

CCrjrg

ii

)(1)(

µ

m

b

c

CCrjrg

ii

)()(

µ

m

CCjg

)(

)(µ

m

CCjg


• On obtient alors la fréquence de coupure (« cutoff frequency ») en faisant iC/iB=1

• Soit encore

48

µ

mT CC

gf

2

)()(2

1ceTTSE

CF

T

rrCCCeIkT

f BCBC

Temps de transit en direct


• Fréquence max (« maximun oscillation frequency ») gain en puissance=1• tient compte de la résistance de Base

49

dBCb

T

Crff

8max dBCb

T

Crff

8max

Transistor Bipolaire à Hétérojonction

• Expression du gain :

• Si la base est courte:

50

2

2

2

2

2111

1BEB

B

B

E

E

E

n

Beff

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

LW

LW

nN

DD

Nn

2

2

2

2

2111

1BEB

B

B

E

E

E

n

Beff

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

LW

LW

nN

DD

Nn

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

LW

nN

DD

Nn

2

2

111

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

LW

nN

DD

Nn

2

2

111


• 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 (attention au perçage !)

51

Augmente la résistance de la Base, doncdiminue fmax

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

LW

nN

DD

Nn

2

2

111

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

LW

nN

DD

Nn

2

2

111


• Autre solution:• Augmenter le dopage de l’émetteur

• Améliore l’efficacité d’injection• Pb: « gap shrinking »

52

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

LW

nN

DD

Nn

2

2

111

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

LW

nN

DD

Nn

2

2

111

)exp()()( 22

kTE

Basenémetteurn gii

.0)()( émetteurgbasegg EEE


53

kTE

LW

nN

DD

Nn g

p

Beff

i

A

n

p

D

i

EB

B

B

E

E

e exp1 2

2

kTE

LW

nN

DD

Nn g

p

Beff

i

A

n

p

D

i

EB

B

B

E

E

e exp1 2

2

1)exp(

1 kTE

WL

DD

NN g

Beff

p

p

n

A

D E

E

B

B

E

1)exp(

1 kTE

WL

DD

NN g

Beff

p

p

n

A

D E

E

B

B

E

On voit donc qu’il est difficile de concilier un fort dopaged’émetteur, une base peu dopée et fine avec un gain important


• On « construit » une structure à différence de « gap » négatif:

• Le TBH ou HBT

54

eb EgEgEg

55

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

Base peu dopéeBase 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

Dispositifs Bipolaires57

Si peut être combiné avec:

•Silicium amorphe (Eg=1.5 eV)

•SiC (Eg=2.2 eV)

•Polysilicium (Eg=1.5 eV)

TBH avec Si:•Si/SiGe très prometteur avec fréquence de coupurede l’ordre de 100 GHz

TBH GaAs/AlGaAs• ft =150 GHz

•Qualité de l’interface excellente => TBH de hautes performances•Composants intégrés monolithiquement avec dispo optoélectronique

•InGaAs/InAlAS et InGaAs/InP TBHs•Les valeurs de ft > 180 GHz

•Accord de maille avec InP•Intégration avec composants optoélectroniques

•Filière GaN/AlGaN•Haute fréquence•Évacuation thermique (puissance)

58

Applications numériques•Les « dispos » sont utilisés en mode saturé et non saturé

Logique saturée (intégration élevée)•Integrated Injection Logic (I2L)•Transistor-Transistor Logic (TTL)

Applications mémoires Bipolaire : mémoires statiquesMOS : mémoires dynamiques

Applications Bi-CMOSCombinaisons des 2 technologies:

On a l’avantage des 2:=>fort développement

MMIC (Microwave MillimeterIntegrated Circuit)

Propriétés HF, puissance=> amplificateurs, convertisseurs A/N

Les applications des « Bipolaires »

Transistor à base Silicium -Germanium

59

Concentration

Electrons

kTeV

IQQDnAe

I BESpE

SB

nBiE exp)(

22

kTeV

QQDnAeI BE

SB

nBiC exp)(

22

emet

teur

collecteur

base

)(2 Sini

)(2 SiGeni

Améliore le betaAméliore le temps de transitDégrade la tension d’Early

Transistor Bipolaire [Mode de...

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