Transistor Bipolaire R f rences: Plan Principe de

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Transistor Bipolaire
2
Références

• 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.

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Plan

• Principe de fonctionnement
• Caractéristiques statiques
• Équations dEbers-Moll
• Paramètres statiques gains
• Effets du second ordre
• Transistor en commutation
• Transistor en HF
• Transistor à Hétéro-jonction TBH ou HBT

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Principe de fonctionnement

• Géométrie
• Latéral
• Vertical
• Dans les circuits numériques, structure verticale

vertical
latéral
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Géométrie conventionnelle sur IC
Muller et Kamins,  device electronics for
IC ,2nd Ed., Wiley, 1986
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Géométrie avec oxyde disolation
Muller et Kamins,  device electronics for
IC ,2nd Ed., Wiley, 1986
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Principe de fonctionnement

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

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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

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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 dinjection)

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Caractéristiques statiques
Transistor NPN
Transistor PNP
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Distribution des porteurs minoritaires dans
transistor npn
idéal
Avec recombinaisons
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Caractéristiques statiques hyp simp
Pas de recombinaisons dans la Base ! ( )
Approximation  1D 
Dopage homogène de la Base
Faible Injection
Transistor PNP
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Calcul des différentes composantes du courant.
Équations dEbers-Moll dans NPN

• Dans la base
• Équation de continuité
• Or et
• Intégration de E-B à C-B

• Soit encore
• En régime normal, Jn négatif ( e- vers xlt0)

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Calcul des différentes composantes du courant
Équations dEbers-Moll dans NPN
Or
Donc
Courant de saturation des électrons dans un PN
 courte  ou sans recombinaison
Avec
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Calcul des différentes composantes du courant
Équations dEbers-Moll dans NPN

• Dans lémetteur

• Dans le collecteur

• Courant suivant convention de signes

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Calcul des différentes composantes du courant
Équations dEbers-Moll dans NPN

• Soit enfin (!)

Isn
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Calcul des différentes composantes du courant
Équations dEbers-Moll dans NPN

• Lexpression finale est

avec
charge dans la base QB QS
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Paramètres statiques du transistor bipolaire

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

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Paramètres statiques du transistor bipolaire

• Efficacité dinjection démetteur
• Gain en courant en base commune
• Gain en courant émetteur commun

Rem si on néglige Recomb dans la base,
identique à
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Paramètres statiques du transistor bipolaire

• Facteur de transport dans la base
• Introduction des recombinaisons dans la région
  neutre de la base

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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
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Paramètres statiques du transistor bipolaire

• Le gain global en courant sécrit 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

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Les autres régimes de fonctionnement

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

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Régime saturé

• Régime de faible injection (QSltltQB)
• Le courant est du 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)

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Régime saturé

• Régime de faible injection (QSltltQB)
• 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 QSNQSAT
On obtient alors
Responsable de la dégradation des performances
dynamiques
0
WB
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Régime saturé

• Régime de forte injection
• Dans ce cas, la densité délectrons 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

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Effets secondaires

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

3
1
2
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Effets secondaires

• Effet Early , effet de perçage du collecteur
• Claquage de la jonction Base - Collecteur
• Résistances série dÉmetteur et de Base
• Diminution ( collapse ) de Ic à fort courants
• Défocalisation ( crowding effect ) du courant

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Effet Early - Perçage

• À  première vue , Ic indépendant de VCB
• En fait, modulation de la largeur de la région
  neutre de la base, donc QBQS , donc Ic !

Si VBC
ZCE B-C
WB
QBQS
Ic
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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

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Claquage de la jonction B - C

• Avalanche de la jonction B-C
• Apparaît souvent avant le perçage
• Comment léviter?
• Diminuer le champ électrique
• Diminuer le gradient de dopage dans le collecteur
• Couche peu dopée entre Base et collecteur

Ionisation par impacts
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Résistance démetteur 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 deffet
• Seules re et rb jouent un rôle.
• Chute de potentiel dans ces résistances

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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
Nc-Dn
Wb0
Wb0
E
E
C
C
Nb
NbDn
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Et leffet 2 ????????????????
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Défocalisation du courant ( crowding effect )

• Limage dun 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

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Transistor bipolaire interrupteur ?

• État ON interrupteur fermé (Tr. Saturé)
• État OFF interrupteur ouvert (Tr. Bloqué)

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Transistor bipolaire interrupteur ?

• Signal de commande (dentrée) le plus faible
  possible
• Puissance de commande la plus petite possible
• Emetteur Commun

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Transistor bipolaire interrupteur ?

• À quelle vitesse, linterrupteur fonctionne-t-il
  ?
• Facteurs limitatifs ?

• La charge dans la base sécrit
• Le courant collecteur est donné par
• temps de transit
• dans la Base (courte)

• Temps de mise en conduction
• Équation de continuité de la charge

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Transistor bipolaire interrupteur ?

• Mise en conduction
• IC augmente jusquà 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

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Transistor bipolaire interrupteur ?

• Remarque la charge peut augmenter pour
  sursaturer le transistor
• Temps de Blocage entrée à  0 
• Évacuation de la charge stockée
• Cest le temps de stockage ts
• Au delà, même phénomène que jonction PN

Valeur finale
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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
  sursaturation du transistor

42
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 dentrée   elle relie la variation de
  la tension Base Emetteur au courant de base,
  soit 
• Résistance de sortie

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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

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Transistor en ac schéma équivalent

• Fréquence de coupure (gain en courant 1)
• Le gain en courant est donc donné par

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Transistor en ac schéma équivalent

• À basse fréquence
• Dans les transistors modernes, en général,
• À hautes fréquences, PI domine

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Transistor en ac schéma équivalent

• On obtient alors la fréquence de coupure
  ( cutoff frequency ) en faisant iC/iB1
• Soit encore

Temps de transit en direct
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Transistor en ac schéma équivalent

• Fréquence max ( maximun oscillation frequency )
  ?gain en puissance1
• 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
  lunité.
• Diminuer le dopage de la Base
• Diminuer la longueur de la Base (att! Au perçage)

Augmente la résistance de la Base, donc diminue
fmax
51
Transistor Bipolaire à Hétérojonction

• Autre solution
• Augmenter le dopage de lémetteur
• Améliore lefficacité dinjection
• Pb  gap shrinking  ?

52
Transistor Bipolaire à Hétérojonction
On voit donc quil est difficile de concilier un
fort dopage démetteur, une base peu dopée et
fine avec un gain important
53
Transistor Bipolaire à Hétérojonction

• On  construit  une structure à différence de
   gap  négatif
• Le TBH ou HBT

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Transistor à base Silicium - Germanium
Concentration Electrons
base
collecteur
emetteur
Améliore le beta Améliore le temps de
transit Dégrade la tension dEarly
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• Besoins pour les dispos bipolaires
• Fort gain
• Efficacité démetteur forte
• Vitesse élevée

Demandes et Problèmes dun BJT
Problèmes
Demandes
Diminution du Gap gt injection par la Base
émetteur fortement dopé
Base peu dopée Base étroite
Forte résistance Base
SolutionTransistors 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

56
(No Transcript)
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Dispositifs Bipolaires

• Si peut être combiné avec
• Silicium amorphe (Eg1.5 eV)
• SiC (Eg2.2 eV)
• Polysilicium (Eg1.5 eV)

• TBH avec Si
• Si/SiGe très prometteur
• avec fréquence de coupure
• de lordre de 100 GHz

• Qualité de linterface excellente gt TBH de
  hautes performances
• Composants intégrés monolithiquement avec dispo
  optoélectronique

• TBH GaAs/AlGaAs
• ft 150 GHz

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

• Accord de maille avec InP
• Intégration avec composants optoélectroniques

• Haute fréquence
• Évacuation thermique (puissance)

• Filière GaN/AlGaN

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Les applications des  Bipolaires 
Applications mémoires
Bipolaire mémoires statiques MOS mémoires
dynamiques
Applications Bi-CMOS
Combinaisons des 2 technologies On a lavantage
des 2 gtfort développement
MMIC (Microwave Millimeter Integrated Circuit)
Propriétés HF, puissance gt amplificateurs,
convertisseurs A/N