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Transistors
Bases de l’électronique
Eric PERONNIN
www.geii.eu 2
Généralités
Deux grandes familles de transistors
2
Transistor
bipolaire
Transistor à effet de champ
NPN PNP
JFET, MESFET
Mode
appauvrissement
Enrichissement
N-ch P-ch
Transistor
IGBT
dans un circuit intégré :
MOSFET
Appauvrissement
Mode
NMOS PMOS NMOS PMOS
www.geii.eu 3
Généralités
Deux modes d’utilisation des transistors
 En « tout ou rien », commutation :
 Circuits intégrés numériques.
 Alimentations à découpage, onduleurs.
 Amplification numérique.
 En analogique :
 Briques de bases des circuits intégrés analogiques (dont
l’amplificateur opérationnel) ou des amplificateurs à composants
discrets :
– générateur et miroir de courant,
– amplification différentielle,
– amplification en courant ou en tension.
 Fonctions de traitement du signal en analogique :
– linéaires : addition, soustraction et multiplication …
– non-linéaires : conversion exponentielle, logarithmique …
3
Transistor bipolaire :
présentation – approche grands signaux
Bases de l’électronique
Eric PERONNIN
www.geii.eu 5
Trois zones dopées : NPN ou PNP
Association de trois zones dopées :
 Exemple du transistor NPN
 Symboles et conventions
NPN PNP
5
Silicium P
SiO2
N
Collecteur Emetteur
Base
P
N+ Réalisation typique
des premiers
transistors bipolaires
Base
Collecteur
Emetteur
Base
Emetteur
Emetteur
www.geii.eu 6
Modes de fonctionnement
2 jonctions  4 modes de fonctionnement possibles
Dans les modes 1 et 2, le transistor peut être vu comme un
interrupteur commandé (parfait en 1ière approche)
6
Mode Jonction BE Jonction BC
1. Bloqué Bloquée Bloquée Le transistor se comporte comme un
interrupteur ouvert.
2. Saturé Passante Passante Le transistor se comporte comme un
interrupteur fermé.
3. Amplificateur Passante Bloquée Le transistor fonctionne en
amplificateur de courant quasi-linéaire.
4. Amplificateur
dégradé
Bloquée Passante Idem mais en mode inversé et aux
caractéristiques dégradées.
Base
Collecteur
Emetteur
Base
Collecteur
Emetteur
www.geii.eu 7
Etude du transistor NPN
Réseau de caractéristiques en mode émetteur commun
 Schéma de mesure
 entrée : jonction Base-Emetteur
 sortie : tension Collecteur-Emetteur
 Tracer de 3 réseaux de caractéristiques
 plusieurs caractéristiques à dans le plan
 caractéristiques de sortie
 plusieurs caractéristiques à dans le plan
 caractéristiques de transfert en courant
 caractéristiques d’entrée (jonction base-émetteur)
dans le plan
7
www.geii.eu 8
Transistor NPN en émetteur commun
Caractéristique d’entrée
8
Transistor MAT04
Analog Devices On retrouve la caractéristique
exponentielle de
www.geii.eu 9
Transistor NPN en émetteur commun
Caractéristiques de sortie
9
Jonction Base-Emetteur passante – Jonction Base-Collecteur bloquée
Jonction BE passante
Jonction BC passante
Transistor MAT04
Analog Devices
Zone de fonctionnement linéaire  effet transistorZone de
saturation
www.geii.eu 10
Transistor NPN en émetteur commun
Caractéristiques de transfert
10
Amplification en courant
ici :
Transistor MAT04
Analog Devices
www.geii.eu 11
Fonctionnement dans la zone de saturation
Tension de saturation :
Le coefficient d’amplification en courant change :
Réduire  augmenter pour un courant souhaité.
Pertes dans le transistor saturé :
 Diminuer permet de limiter les pertes par conduction
lorsque le transistor est saturé.
11
www.geii.eu 12
Fonctionnement dans la zone de saturation
Exemple : commutation d’un relais 5v (3.75v min.)
 Caractéristique : bobine de
 Courant de fermeture minimum :
 Choix pour
 Maille d’entrée :
12
D
Relais
4
3
1
2
Vcc=5v
0
RB
Vcc
0
I
I
B
C
VCEsat
VBE
Choix d’un NPN : BC546
Ic=100mA max
BC546
www.geii.eu 13
Déterminer si le transistor est bloqué ou saturé
Méthodologie
 Identique à celle employée pour connaître l’état d’une diode :
remplacer le transistor par son modèle dans un état choisi
(bloqué ou passant) et vérifier si les hypothèses se vérifient.
 ATTENTION : le transistor peut être dans un 3ième état  ne pas
être bloqué n’implique pas qu’il soit saturé.
Modèles saturé/bloqué du transistor bipolaire
Base
Collecteur
Emetteur
Collecteur
Emetteur
Base
Transistor bipolaire bloqué Transistor bipolaire saturé
Valeurs typiques
pour les calculs :
www.geii.eu 14
Fonctionnement dans la zone linéaire
Effet transistor
14
n
n
p1
2
3
Jonction Base-Emetteur passante :
les électrons libres de l’émetteur
migrent vers la base.
Comme celle-ci est très fine, les
électrons de l’émetteur s’y
recombinent peu et le champ
électrique les fait migrer vers
le collecteur.
Electrons passant de l’émetteur
vers le collecteur (courant ).
Electrons de l’émetteur se
recombinant dans la base
(courant ).
Electrons minoritaires de la base
migrant vers le collecteur (courant
inverse de saturation de la jonction
Base-Collecteur noté ).
1
3
2
Jonction Base-
Collecteur bloquée
Jonction Base-
Emetteur passante
www.geii.eu 15
Fonctionnement dans la zone linéaire
Equations résultantes
15
n
n
p1
2
3
Le transistor se comporte comme
un nœud :
Au niveau du collecteur, on a :
On pose où est le
coefficient d’amplification en
courant du transistor et il vient :
d’où :
www.geii.eu 16
Fonctionnement dans la zone linéaire
Equations générales du transistor NPN en amplification
 Amplification en courant :
 à la température ambiante, soit 25°C, on peut négliger :
 Note : pour un MAT04 Analog Device à 25°C
avec de l’ordre de à
Or double tous les 7°C, soit
d’où pour le MAT04 : à 85°C, à 120°C
 Somme des courants :
 Jonction Base-Emetteur (passante dans la zone linéaire) :
16
est le gain du transistor en inverse
(amplification dégradée).
www.geii.eu 17
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs
 Transistors identiques (même , même )
 Polarisation :
 Entrées actives :
17
B1 B2
Q2Q1
I
Rc Rc
I
Vs
VDD
C1 C2
II
I
VEE
loi des nœuds :
maille d’entrée :
maille de sortie :
courants collecteurs :
approximation :
 montage symétrique

 Q1 et Q2 sont largement passant en
l’absence de signal en entrée.
www.geii.eu 18
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs
18
On repart des courants collecteurs :
or la maille d’entrée donne :
d’où :
Comme
et par symétrie :
En posant , il vient : et
www.geii.eu 19
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs
19
On termine en utilisant la relation de sortie :
et
soit :
en mettant en facteur au numérateur et au dénominateur, on
trouve :
Finalement :
www.geii.eu 20
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs : analyse du résultat
 Constat : résultat dépendant uniquement de la différence des
entrées  tension différentielle d’entrée :
20
Comparaison avec la linéarisation
au premier ordre en prenant la
tangente à l’origine :
Amplification différentielle
www.geii.eu 21
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs : analyse du résultat
 Limite principale :
 le gain différentiel est limité car le produit
est limité par la polarisation.
Fonctionnement linéaire  jonction Base-Collecteur bloquée
– soit ou encore
– or, à la polarisation :
– et en régime variable, il faut assurer une dynamique maximale en conservant la
jonction Base-Collecteur bloquée. Cela conduit à respecter
soit
 Amélioration :
 utilisation de charges actives à la place des résistances
– voir miroir de courant dans la suite du cours.
21
www.geii.eu 22
Utilisation en microélectronique
Miroir de courant
22
I
VEE
Q2Q1
II
I
B2B1
IN OUT
IC1 IC2
Modèle de base
On considère les transistors
identiques donc :
et
Or donc
Améliorations possibles :
- diminuer l’écart induit par ,
- permettre d’avoir .
A l’entrée :
Or donc :
Pour ,
d’où le nom de miroir de courant.
www.geii.eu 23
Utilisation en microélectronique
Miroir de courant à courants multiples
23
En multipliant la surface de l’émetteur
de Q1 et/ou Q2 :
Le courant de saturation inverse d’un
transistor est proportionnel à la surface
de son émetteur.
Pour plus de précision, on préfère
l’approche ci-contre.
I
VEE
Q2Q1
II
I
B1 B2
OUTIN
IC1 IC2
A 1
I
VEE
Q2Q1
II
I
B1 B2
I
OUTIN
C1 IC2
Q1'
IC1'
En multipliant le nombre de transistor
d’un côté, on change le rapport des
courants :
On montre aisément que si les
transistors sont rigoureusement
identiques :
www.geii.eu 24
Utilisation en microélectronique
Miroir de courant de Wilson
24
I
VEE
Q1Q3
II
IIN
B3 B1
I
OUT
IC3 C1
Q2
On montre aisément que :
On a diminué l’écart entre courant d’entrée et de
sortie induit par le fait que ne soit pas infini.
L’étude du rapport entre et
n’est pas suffisante pour apprécier les
qualités d’un miroir de courant.
Il faut également s’intéresser à la
résistance interne du générateur de
Norton pour .
www.geii.eu 25
Utilisation en microélectronique
Miroir de courant utilisé en charge active dans une paire
différentielle
25
B2B1
Q2Q1
I IC1 C2
II
I
VEE
Q4Q3
Is
VDD Miroir de courant utilisé en charges actives :
- à la polarisation, les transistors Q1 et Q2
voient des courants identiques,
- en régime variable, Q3 et Q4 présentent
une résistance dynamique très élevée 
amplification différentielle élevée.
La sortie s’effectue en courant et on
montre que
Il faut ensuite un second étage de
conversion courant/tension pour lui
succéder et obtenir une information en
tension.
www.geii.eu 26
Utilisation en microélectronique
Source de courant
 on vient de le voir, la paire différentielle nécessite une
polarisation via une source de courant. La source de courant est
par conséquent un élément important en microélectronique.
26
VDD
R
I
VEE
V
Z
Z
D
R
Idée de base
Inconvénients :
- solution inutilisable avec des processus de
fabrication standard pour lesquels
 R élevée  coût silicium élevé
 on doit pouvoir faire mieux !
www.geii.eu 27
Utilisation en microélectronique
Source de courant
27
Première amélioration : remplacement de la diode zener par une
jonction BE de transistor.
Déjà vu :
Ici :
soit :
Application numérique avec des valeurs
classiques dans un circuit intégré :
VDD
R
I
VEE
Q2Q1
IIB1 B2
I
OUT
IN
IC1
 Trop exigeant en surface silicium. On peut diviser en
multipliant les transistors Q1 mais ce sera insuffisant.
www.geii.eu 28
Utilisation en microélectronique
Source de courant
28
Seconde amélioration : source de courant de Widlar (concepteur du premier
amplificateur opérationnel).
On suppose qu’on connait les courants d’entrée et de sortie
puisqu’ils constituent le cahier des charges.
Les transistors ayant des courants de fuite identiques et
considérant :
On montre que :
ce qui permet de calculer .
On déduit ensuite aisément et on montre que la somme
de est bien moindre que dans le cas précédent.
Il faut encore s’intéresser à la résistance interne de
la source de courant en sortie.
I
VEE
Q2Q1
I I
I
B2B1
IN OUT
IC1 IC2
R1
R1
VDD
Transistor MOSFET :
présentation – caractéristiques
Bases de l’électronique
Eric PERONNIN
www.geii.eu 30
Généralités
Deux grandes familles de transistors
30
Transistor
bipolaire
Transistor à effet de champ
NPN PNP
JFET, MESFET
Mode
appauvrissement
Enrichissement
N-ch P-ch
Transistor
IGBT
dans un circuit intégré :
MOSFET
Appauvrissement
Mode
NMOS PMOS NMOS PMOS
www.geii.eu 31
Généralités
MOSFET :
 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor : Transistor à
effet de champ à grille isolée.
Vu de l’extérieur :
 Rien ne le différencie d’un transistor bipolaire.
 3 broches :
Drain (D)
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Source (S)
www.geii.eu 32
MOSFET : généralités
Divers symboles :
 Symboles et conventions des MOSFETs à enrichissement
MOSFET N MOSFET P
Grille
Drain
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Grille
Drain
Source
Mais aussi :
1 1
1 : MOSFET réels intègrent souvent une diode supplémentaire.
2 2
2 : Représentation adoptée dans les circuits intégrés.
www.geii.eu 33
Transistors bipolaire et MOSFET
Quelles différences ? Points communs ?
Silicium P
SiO2
N
Collecteur
Emetteur
Base
P
N+
Silicium P
SiO2
Grille
SiO2
N+
Source Drain
N+
SiO2SiO2
Substrat1
SiO2SiO2
MOSFET N
Bipolaire NPN
 MOS plus petit et plus simple à fabriquer.
 Substrat relié à la source en général.
 SiO2 isolant  Grille isolée  alors que .
SiO2
Métal
Oxyde de
Silicium
1 : Substrat ou « Body » ou « Bulk »
Grille
Drain
Source
Base
Collecteur
Emetteur
www.geii.eu 34
Transistors bipolaire et MOSFET
Quelles différences ? Points communs ?
 Différence importante à l’entrée :
 Forte similitude à la sortie :
Grille
Drain
Source
Base
Collecteur
Emetteur
Un transistor bipolaire se commande en courant.
Un transistor MOSFET se pilote en tension !
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0 1 2 3 4 5 6 7 8
Caractéristique de transfert du MOSFET N
Zone
bloquée
G
D
S
Zone passante
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0 1 2 3 4 5 6 7 8
Caractéristique de transfert du MOSFET N
Zone
bloquée
G
D
S
Modèle du MOSFET bloqué
G
D
S
Zone passante
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Caractéristique de sortie du MOSFET N
G
D
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choisi :
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1.000
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Caractéristique de sortie du MOSFET N
Zone
ohmique
G
D
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choisi :
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Caractéristique de sortie du MOSFET N
Zone
ohmique
Régime de saturation
G
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choisi :
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Caractéristique de sortie du MOSFET N
Zone
ohmique
Régime de saturation
G
D
S
Modèle du MOSFET en zone ohmique
G
D
S
choisi :
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0.800
0.900
1.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Caractéristique de sortie du MOSFET N
Zone
ohmique
Régime de saturation
G
D
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Modèle du MOSFET en régime de
saturation de courant
G
D
S
choisi :
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BS170
0V
Utilisation du MOSFET en commutation
On souhaite alimenter une charge
en commutation.
Comment connaître le mode de
fonctionnement du MOSFET ?
 Remplacement par son modèle bloqué :
La tension d’alimentation est de
peut prendre les valeurs et .
0V
Loi des mailles à la sortie :
car .
Donc :
Conclusion : le transistor est bloqué pour et
passant pour .
Le transistor est bloqué.
www.geii.eu 43
Utilisation du MOSFET en commutation
La transistor est passant pour . Mais dans quelle zone ?
Pas de courbe donnant dans la datasheet du BS170G  on ne peut pas utiliser
le modèle équivalent en zone ohmique.
Plus simplement.
Lecture du courant maximum que le BS170G peut
fournir en saturation de courant pour :
Expression du courant dans le circuit :
BS170
0V
Maille de sortie :
 Le transistor est en zone ohmique.
Recherche du point de fonctionnement :
est la droite de charge du transistor.
www.geii.eu 44
Utilisation du MOSFET en commutation
Résultat
 Point de fonctionnement obtenu
 Puissance dissipée en conduction continue
 Compatibilité avec les spécifications maximales
Transistor MOSFET :
comprendre son fonctionnement
Bases de l’électronique
Eric PERONNIN
www.geii.eu 46
MOSFET bloqué : approche qualitative
Par construction, le MOSFET possède deux diodes.
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
Substrat et Source reliés  seule une diode subsiste, en inverse
par rapport à .
MOSFET bloqué
www.geii.eu 47
MOSFET bloqué : approche qualitative
Augmentation lente de
 charges positives sur côté métal, négatives côté substrat.
Substrat de type P  tant que , la zone entre drain et
source reste de type P
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
+ + + + +
- - - - -
+ + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + +
- - - - -
SiO2
G
+ + + + +
+ + + + +
Substrat
 Comportement d’une diode en inverse :
Capacité
MOS
www.geii.eu 48
MOSFET bloqué : approche qualitative
 le MOSFET se comporte comme un interrupteur ouvert pour
.
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
www.geii.eu 49
MOSFET passant en zone ohmique
Lorsque dépasse , un canal riche en électrons libres se
forme.
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
Canal
dans la « zone d’inversion »
 drain et source sont alors séparés par une résistance notée
 un courant peut circuler du drain vers la source.
est appelée tension de
déclenchement.
www.geii.eu 50
MOSFET passant en zone ohmique
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
Canal
Lorsque continue à croitre, le canal s’enrichit1 en électrons
 sa conductivité augmente2  diminue.
1 : d’où le nom de MOSFET à enrichissement.
2 : sa résistivité diminue.
www.geii.eu 51
MOSFET passant en zone ohmique
Le MOSFET fonctionne dans sa zone Ohmique1
 état passant du fonctionnement en commutation.
1 : on parle aussi de zone linéaire ou triode en référence au tube qui a précédé le transistor.
0.000
0.100
0.200
0 0.2 0.4
Pente :
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Limite du fonctionnement en zone ohmique
Or
Soit :
Grille
SiO2
Canal
Canal existe ici si  canal existe ici si
DrainSource
www.geii.eu 53
Limite du fonctionnement en zone ohmique
Grille
SiO2
DrainSource Canal
Pincement du canal (Pinch-off)
Or
Soit :
www.geii.eu 54
Au delà de la zone ohmique
Grille
SiO2
DrainSource Canal
Pincement du canal (Pinch-off)
Si , MOSFET passe dans sa zone de
saturation en courant1 nommée ainsi car à fixée, le courant
n’évolue plus.
1 : également appelée « zone active » ou « zone de pincement ».
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Transistors

  • 2. www.geii.eu 2 Généralités Deux grandes familles de transistors 2 Transistor bipolaire Transistor à effet de champ NPN PNP JFET, MESFET Mode appauvrissement Enrichissement N-ch P-ch Transistor IGBT dans un circuit intégré : MOSFET Appauvrissement Mode NMOS PMOS NMOS PMOS
  • 3. www.geii.eu 3 Généralités Deux modes d’utilisation des transistors  En « tout ou rien », commutation :  Circuits intégrés numériques.  Alimentations à découpage, onduleurs.  Amplification numérique.  En analogique :  Briques de bases des circuits intégrés analogiques (dont l’amplificateur opérationnel) ou des amplificateurs à composants discrets : – générateur et miroir de courant, – amplification différentielle, – amplification en courant ou en tension.  Fonctions de traitement du signal en analogique : – linéaires : addition, soustraction et multiplication … – non-linéaires : conversion exponentielle, logarithmique … 3
  • 4. Transistor bipolaire : présentation – approche grands signaux Bases de l’électronique Eric PERONNIN
  • 5. www.geii.eu 5 Trois zones dopées : NPN ou PNP Association de trois zones dopées :  Exemple du transistor NPN  Symboles et conventions NPN PNP 5 Silicium P SiO2 N Collecteur Emetteur Base P N+ Réalisation typique des premiers transistors bipolaires Base Collecteur Emetteur Base Emetteur Emetteur
  • 6. www.geii.eu 6 Modes de fonctionnement 2 jonctions  4 modes de fonctionnement possibles Dans les modes 1 et 2, le transistor peut être vu comme un interrupteur commandé (parfait en 1ière approche) 6 Mode Jonction BE Jonction BC 1. Bloqué Bloquée Bloquée Le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert. 2. Saturé Passante Passante Le transistor se comporte comme un interrupteur fermé. 3. Amplificateur Passante Bloquée Le transistor fonctionne en amplificateur de courant quasi-linéaire. 4. Amplificateur dégradé Bloquée Passante Idem mais en mode inversé et aux caractéristiques dégradées. Base Collecteur Emetteur Base Collecteur Emetteur
  • 7. www.geii.eu 7 Etude du transistor NPN Réseau de caractéristiques en mode émetteur commun  Schéma de mesure  entrée : jonction Base-Emetteur  sortie : tension Collecteur-Emetteur  Tracer de 3 réseaux de caractéristiques  plusieurs caractéristiques à dans le plan  caractéristiques de sortie  plusieurs caractéristiques à dans le plan  caractéristiques de transfert en courant  caractéristiques d’entrée (jonction base-émetteur) dans le plan 7
  • 8. www.geii.eu 8 Transistor NPN en émetteur commun Caractéristique d’entrée 8 Transistor MAT04 Analog Devices On retrouve la caractéristique exponentielle de
  • 9. www.geii.eu 9 Transistor NPN en émetteur commun Caractéristiques de sortie 9 Jonction Base-Emetteur passante – Jonction Base-Collecteur bloquée Jonction BE passante Jonction BC passante Transistor MAT04 Analog Devices Zone de fonctionnement linéaire  effet transistorZone de saturation
  • 10. www.geii.eu 10 Transistor NPN en émetteur commun Caractéristiques de transfert 10 Amplification en courant ici : Transistor MAT04 Analog Devices
  • 11. www.geii.eu 11 Fonctionnement dans la zone de saturation Tension de saturation : Le coefficient d’amplification en courant change : Réduire  augmenter pour un courant souhaité. Pertes dans le transistor saturé :  Diminuer permet de limiter les pertes par conduction lorsque le transistor est saturé. 11
  • 12. www.geii.eu 12 Fonctionnement dans la zone de saturation Exemple : commutation d’un relais 5v (3.75v min.)  Caractéristique : bobine de  Courant de fermeture minimum :  Choix pour  Maille d’entrée : 12 D Relais 4 3 1 2 Vcc=5v 0 RB Vcc 0 I I B C VCEsat VBE Choix d’un NPN : BC546 Ic=100mA max BC546
  • 13. www.geii.eu 13 Déterminer si le transistor est bloqué ou saturé Méthodologie  Identique à celle employée pour connaître l’état d’une diode : remplacer le transistor par son modèle dans un état choisi (bloqué ou passant) et vérifier si les hypothèses se vérifient.  ATTENTION : le transistor peut être dans un 3ième état  ne pas être bloqué n’implique pas qu’il soit saturé. Modèles saturé/bloqué du transistor bipolaire Base Collecteur Emetteur Collecteur Emetteur Base Transistor bipolaire bloqué Transistor bipolaire saturé Valeurs typiques pour les calculs :
  • 14. www.geii.eu 14 Fonctionnement dans la zone linéaire Effet transistor 14 n n p1 2 3 Jonction Base-Emetteur passante : les électrons libres de l’émetteur migrent vers la base. Comme celle-ci est très fine, les électrons de l’émetteur s’y recombinent peu et le champ électrique les fait migrer vers le collecteur. Electrons passant de l’émetteur vers le collecteur (courant ). Electrons de l’émetteur se recombinant dans la base (courant ). Electrons minoritaires de la base migrant vers le collecteur (courant inverse de saturation de la jonction Base-Collecteur noté ). 1 3 2 Jonction Base- Collecteur bloquée Jonction Base- Emetteur passante
  • 15. www.geii.eu 15 Fonctionnement dans la zone linéaire Equations résultantes 15 n n p1 2 3 Le transistor se comporte comme un nœud : Au niveau du collecteur, on a : On pose où est le coefficient d’amplification en courant du transistor et il vient : d’où :
  • 16. www.geii.eu 16 Fonctionnement dans la zone linéaire Equations générales du transistor NPN en amplification  Amplification en courant :  à la température ambiante, soit 25°C, on peut négliger :  Note : pour un MAT04 Analog Device à 25°C avec de l’ordre de à Or double tous les 7°C, soit d’où pour le MAT04 : à 85°C, à 120°C  Somme des courants :  Jonction Base-Emetteur (passante dans la zone linéaire) : 16 est le gain du transistor en inverse (amplification dégradée).
  • 17. www.geii.eu 17 Utilisation en microélectronique Paire différentielle à émetteurs communs  Transistors identiques (même , même )  Polarisation :  Entrées actives : 17 B1 B2 Q2Q1 I Rc Rc I Vs VDD C1 C2 II I VEE loi des nœuds : maille d’entrée : maille de sortie : courants collecteurs : approximation :  montage symétrique   Q1 et Q2 sont largement passant en l’absence de signal en entrée.
  • 18. www.geii.eu 18 Utilisation en microélectronique Paire différentielle à émetteurs communs 18 On repart des courants collecteurs : or la maille d’entrée donne : d’où : Comme et par symétrie : En posant , il vient : et
  • 19. www.geii.eu 19 Utilisation en microélectronique Paire différentielle à émetteurs communs 19 On termine en utilisant la relation de sortie : et soit : en mettant en facteur au numérateur et au dénominateur, on trouve : Finalement :
  • 20. www.geii.eu 20 Utilisation en microélectronique Paire différentielle à émetteurs communs : analyse du résultat  Constat : résultat dépendant uniquement de la différence des entrées  tension différentielle d’entrée : 20 Comparaison avec la linéarisation au premier ordre en prenant la tangente à l’origine : Amplification différentielle
  • 21. www.geii.eu 21 Utilisation en microélectronique Paire différentielle à émetteurs communs : analyse du résultat  Limite principale :  le gain différentiel est limité car le produit est limité par la polarisation. Fonctionnement linéaire  jonction Base-Collecteur bloquée – soit ou encore – or, à la polarisation : – et en régime variable, il faut assurer une dynamique maximale en conservant la jonction Base-Collecteur bloquée. Cela conduit à respecter soit  Amélioration :  utilisation de charges actives à la place des résistances – voir miroir de courant dans la suite du cours. 21
  • 22. www.geii.eu 22 Utilisation en microélectronique Miroir de courant 22 I VEE Q2Q1 II I B2B1 IN OUT IC1 IC2 Modèle de base On considère les transistors identiques donc : et Or donc Améliorations possibles : - diminuer l’écart induit par , - permettre d’avoir . A l’entrée : Or donc : Pour , d’où le nom de miroir de courant.
  • 23. www.geii.eu 23 Utilisation en microélectronique Miroir de courant à courants multiples 23 En multipliant la surface de l’émetteur de Q1 et/ou Q2 : Le courant de saturation inverse d’un transistor est proportionnel à la surface de son émetteur. Pour plus de précision, on préfère l’approche ci-contre. I VEE Q2Q1 II I B1 B2 OUTIN IC1 IC2 A 1 I VEE Q2Q1 II I B1 B2 I OUTIN C1 IC2 Q1' IC1' En multipliant le nombre de transistor d’un côté, on change le rapport des courants : On montre aisément que si les transistors sont rigoureusement identiques :
  • 24. www.geii.eu 24 Utilisation en microélectronique Miroir de courant de Wilson 24 I VEE Q1Q3 II IIN B3 B1 I OUT IC3 C1 Q2 On montre aisément que : On a diminué l’écart entre courant d’entrée et de sortie induit par le fait que ne soit pas infini. L’étude du rapport entre et n’est pas suffisante pour apprécier les qualités d’un miroir de courant. Il faut également s’intéresser à la résistance interne du générateur de Norton pour .
  • 25. www.geii.eu 25 Utilisation en microélectronique Miroir de courant utilisé en charge active dans une paire différentielle 25 B2B1 Q2Q1 I IC1 C2 II I VEE Q4Q3 Is VDD Miroir de courant utilisé en charges actives : - à la polarisation, les transistors Q1 et Q2 voient des courants identiques, - en régime variable, Q3 et Q4 présentent une résistance dynamique très élevée  amplification différentielle élevée. La sortie s’effectue en courant et on montre que Il faut ensuite un second étage de conversion courant/tension pour lui succéder et obtenir une information en tension.
  • 26. www.geii.eu 26 Utilisation en microélectronique Source de courant  on vient de le voir, la paire différentielle nécessite une polarisation via une source de courant. La source de courant est par conséquent un élément important en microélectronique. 26 VDD R I VEE V Z Z D R Idée de base Inconvénients : - solution inutilisable avec des processus de fabrication standard pour lesquels  R élevée  coût silicium élevé  on doit pouvoir faire mieux !
  • 27. www.geii.eu 27 Utilisation en microélectronique Source de courant 27 Première amélioration : remplacement de la diode zener par une jonction BE de transistor. Déjà vu : Ici : soit : Application numérique avec des valeurs classiques dans un circuit intégré : VDD R I VEE Q2Q1 IIB1 B2 I OUT IN IC1  Trop exigeant en surface silicium. On peut diviser en multipliant les transistors Q1 mais ce sera insuffisant.
  • 28. www.geii.eu 28 Utilisation en microélectronique Source de courant 28 Seconde amélioration : source de courant de Widlar (concepteur du premier amplificateur opérationnel). On suppose qu’on connait les courants d’entrée et de sortie puisqu’ils constituent le cahier des charges. Les transistors ayant des courants de fuite identiques et considérant : On montre que : ce qui permet de calculer . On déduit ensuite aisément et on montre que la somme de est bien moindre que dans le cas précédent. Il faut encore s’intéresser à la résistance interne de la source de courant en sortie. I VEE Q2Q1 I I I B2B1 IN OUT IC1 IC2 R1 R1 VDD
  • 29. Transistor MOSFET : présentation – caractéristiques Bases de l’électronique Eric PERONNIN
  • 30. www.geii.eu 30 Généralités Deux grandes familles de transistors 30 Transistor bipolaire Transistor à effet de champ NPN PNP JFET, MESFET Mode appauvrissement Enrichissement N-ch P-ch Transistor IGBT dans un circuit intégré : MOSFET Appauvrissement Mode NMOS PMOS NMOS PMOS
  • 31. www.geii.eu 31 Généralités MOSFET :  Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor : Transistor à effet de champ à grille isolée. Vu de l’extérieur :  Rien ne le différencie d’un transistor bipolaire.  3 broches : Drain (D) Grille (G) ou « Gate » Source (S)
  • 32. www.geii.eu 32 MOSFET : généralités Divers symboles :  Symboles et conventions des MOSFETs à enrichissement MOSFET N MOSFET P Grille Drain Source Grille Drain Source Mais aussi : 1 1 1 : MOSFET réels intègrent souvent une diode supplémentaire. 2 2 2 : Représentation adoptée dans les circuits intégrés.
  • 33. www.geii.eu 33 Transistors bipolaire et MOSFET Quelles différences ? Points communs ? Silicium P SiO2 N Collecteur Emetteur Base P N+ Silicium P SiO2 Grille SiO2 N+ Source Drain N+ SiO2SiO2 Substrat1 SiO2SiO2 MOSFET N Bipolaire NPN  MOS plus petit et plus simple à fabriquer.  Substrat relié à la source en général.  SiO2 isolant  Grille isolée  alors que . SiO2 Métal Oxyde de Silicium 1 : Substrat ou « Body » ou « Bulk » Grille Drain Source Base Collecteur Emetteur
  • 34. www.geii.eu 34 Transistors bipolaire et MOSFET Quelles différences ? Points communs ?  Différence importante à l’entrée :  Forte similitude à la sortie : Grille Drain Source Base Collecteur Emetteur Un transistor bipolaire se commande en courant. Un transistor MOSFET se pilote en tension !
  • 35. www.geii.eu 35 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Caractéristique de transfert du MOSFET N Zone bloquée G D S Zone passante
  • 36. www.geii.eu 36 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Caractéristique de transfert du MOSFET N Zone bloquée G D S Modèle du MOSFET bloqué G D S Zone passante
  • 37. www.geii.eu 37 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Caractéristique de sortie du MOSFET N G D S choisi :
  • 38. www.geii.eu 38 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Caractéristique de sortie du MOSFET N Zone ohmique G D S choisi :
  • 39. www.geii.eu 39 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Caractéristique de sortie du MOSFET N Zone ohmique Régime de saturation G D S choisi :
  • 40. www.geii.eu 40 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Caractéristique de sortie du MOSFET N Zone ohmique Régime de saturation G D S Modèle du MOSFET en zone ohmique G D S choisi :
  • 41. www.geii.eu 41 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Caractéristique de sortie du MOSFET N Zone ohmique Régime de saturation G D S Modèle du MOSFET en régime de saturation de courant G D S choisi :
  • 42. www.geii.eu 42 BS170 0V Utilisation du MOSFET en commutation On souhaite alimenter une charge en commutation. Comment connaître le mode de fonctionnement du MOSFET ?  Remplacement par son modèle bloqué : La tension d’alimentation est de peut prendre les valeurs et . 0V Loi des mailles à la sortie : car . Donc : Conclusion : le transistor est bloqué pour et passant pour . Le transistor est bloqué.
  • 43. www.geii.eu 43 Utilisation du MOSFET en commutation La transistor est passant pour . Mais dans quelle zone ? Pas de courbe donnant dans la datasheet du BS170G  on ne peut pas utiliser le modèle équivalent en zone ohmique. Plus simplement. Lecture du courant maximum que le BS170G peut fournir en saturation de courant pour : Expression du courant dans le circuit : BS170 0V Maille de sortie :  Le transistor est en zone ohmique. Recherche du point de fonctionnement : est la droite de charge du transistor.
  • 44. www.geii.eu 44 Utilisation du MOSFET en commutation Résultat  Point de fonctionnement obtenu  Puissance dissipée en conduction continue  Compatibilité avec les spécifications maximales
  • 45. Transistor MOSFET : comprendre son fonctionnement Bases de l’électronique Eric PERONNIN
  • 46. www.geii.eu 46 MOSFET bloqué : approche qualitative Par construction, le MOSFET possède deux diodes. Silicium P SiO2 N+ DG SiO2 S SiO2 N+ SiO2SiO2 Substrat Substrat et Source reliés  seule une diode subsiste, en inverse par rapport à . MOSFET bloqué
  • 47. www.geii.eu 47 MOSFET bloqué : approche qualitative Augmentation lente de  charges positives sur côté métal, négatives côté substrat. Substrat de type P  tant que , la zone entre drain et source reste de type P Silicium P SiO2 N+ DG SiO2 S SiO2 N+ SiO2SiO2 Substrat + + + + + - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - SiO2 G + + + + + + + + + + Substrat  Comportement d’une diode en inverse : Capacité MOS
  • 48. www.geii.eu 48 MOSFET bloqué : approche qualitative  le MOSFET se comporte comme un interrupteur ouvert pour . Silicium P SiO2 N+ DG SiO2 S SiO2 N+ SiO2SiO2 Substrat
  • 49. www.geii.eu 49 MOSFET passant en zone ohmique Lorsque dépasse , un canal riche en électrons libres se forme. Silicium P SiO2 N+ DG SiO2 S SiO2 N+ SiO2SiO2 Substrat Canal dans la « zone d’inversion »  drain et source sont alors séparés par une résistance notée  un courant peut circuler du drain vers la source. est appelée tension de déclenchement.
  • 50. www.geii.eu 50 MOSFET passant en zone ohmique Silicium P SiO2 N+ DG SiO2 S SiO2 N+ SiO2SiO2 Substrat Canal Lorsque continue à croitre, le canal s’enrichit1 en électrons  sa conductivité augmente2  diminue. 1 : d’où le nom de MOSFET à enrichissement. 2 : sa résistivité diminue.
  • 51. www.geii.eu 51 MOSFET passant en zone ohmique Le MOSFET fonctionne dans sa zone Ohmique1  état passant du fonctionnement en commutation. 1 : on parle aussi de zone linéaire ou triode en référence au tube qui a précédé le transistor. 0.000 0.100 0.200 0 0.2 0.4 Pente :
  • 52. www.geii.eu 52 Limite du fonctionnement en zone ohmique Or Soit : Grille SiO2 Canal Canal existe ici si  canal existe ici si DrainSource
  • 53. www.geii.eu 53 Limite du fonctionnement en zone ohmique Grille SiO2 DrainSource Canal Pincement du canal (Pinch-off) Or Soit :
  • 54. www.geii.eu 54 Au delà de la zone ohmique Grille SiO2 DrainSource Canal Pincement du canal (Pinch-off) Si , MOSFET passe dans sa zone de saturation en courant1 nommée ainsi car à fixée, le courant n’évolue plus. 1 : également appelée « zone active » ou « zone de pincement ».