Transistor Bipolaire

1

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.

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

Principe de fonctionnement

Géométrie: Latéral Vertical

Dans les circuits numériques, structure structure verticaleverticale

latéral

vertical

npn

BC

E

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


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 statiques

Transistor NPNTransistor NPN Transistor NPNTransistor NPN

11

Distribution des porteurs minoritaires dans transistor npn

idéalidéal

Avec recombinaisonsAvec recombinaisons

12

Caractéristiques statiques +hyp simp

Transistor PNPTransistor PNP

Pas de recombinaisons dans laBase ! ( )

Approximation « 1D »

Dopage homogène de laBase

Faible Injection

13

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

Dans la base: Équation de continuité

Or et

Intégration de E-B à C-B:

Soit encore:

En régime normal, Jn négatif ( e- vers x<0)

dx

npd

eD

Jn

eD

Jp

p

p

n

n ).( dx

npd

eD

Jn

eD

Jp

p

p

n

n ).(

pn JJ pn

dx

npd

eD

Jp

n

n ).( dx

npd

eD

Jp

n

n ).(

'

'

)(

)exp()exp(2

C

E

BCBE

inbn

dxxp

kT

eV

kT

eV

neDJ

'

'

)(

)exp()exp(2

C

E

BCBE

inbn

dxxp

kT

eV

kT

eV

neDJ

'

'

)(

)1()1(2

C

E

kT

eV

kT

eV

inbn

dxxp

eeneDJ

BCBE

'

'

)(

)1()1(2

C

E

kT

eV

kT

eV

inbn

dxxp

eeneDJ

BCBE

14

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

)1(

)(

)1(

)()(

)1()1(

'

'

'

'

'

'

222 kT

eV

C

E

inbkT

eV

C

E

inb

C

E

kT

eV

kT

eV

inbn

BCBE

BCBE

e

dxxp

neDe

dxxp

neD

dxxp

ee

neDJ

)1(

)(

)1(

)()(

)1()1(

'

'

'

'

'

'

222 kT

eV

C

E

inbkT

eV

C

E

inb

C

E

kT

eV

kT

eV

inbn

BCBE

BCBE

e

dxxp

neDe

dxxp

neD

dxxp

ee

neDJ

Or:

BeffA

C

E

WNdxxpB

'

'

)( BeffA

C

E

WNdxxpB

'

'

)(

Donc:

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

22kT

eV

kT

eV

SnkT

eV

BeffA

nbikT

eV

BeffA

nbin

BCBEBC

B

BE

B

eeIeWN

Dene

WN

DenJ

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

22kT

eV

kT

eV

SnkT

eV

BeffA

nbikT

eV

BeffA

nbin

BCBEBC

B

BE

B

eeIeWN

Dene

WN

DenJ

Avec :BeffA

nbiSn WN

DenI

B

2

BeffA

nbiSn WN

DenI

B

2

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

15

Calcul des différentes composantes du courant

Équations d’Ebers-Moll dans NPNNPN

Dans l’émetteur Dans le collecteur

1)exp(

kT

eVJJ BE

spEpE

1)exp(

kT

eVJJ BC

spCpC

Courant suivant convention de signes

pCpEECB

npCC

npEE

IIIII

III

III

E B C

JpE Jn JpCIE

IB

IC

NPNNPN

16


Soit enfin (!) :

)1(exp)(

)1](exp)(

[ '

'

'

'

22

kT

eV

dxxp

DAen

kT

eVI

dxxp

DAenIII BC

C

E

nbiBEspEC

E

nbipEnE

)1](exp

)(

[)1(exp

)(

'

'

'

'

22

kT

eVI

dxxp

DAen

kT

eV

dxxp

DAenIII BC

spCC

E

nbiBE

C

E

nbipCnC

1)exp(1)exp(

kT

eVI

kT

eVIIIIII BC

spCBE

spEpCpECEB

Isn

17


L’expression finale est:

)1(exp)1(exp21

kT

eVI

kT

eVII BC

SIBE

SE

)1(exp)1(exp21

kT

eVI

kT

eVII BC

SBE

SNC

avec:

E

D

pei

C

E

nbiS

xN

DAen

dxxep

DnAeI

)()(

222

'

'

1

E

D

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 + QScharge dans la base : QB + QS

18

Paramètres statiques du transistor bipolaire

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

kT

eVI

QQ

DnAeI BE

SpESB

nBiE exp)(

22

kT

eV

QQ

DnAeI BE

SB

nBiC exp)(

22

kT

eVIIII BE

SpECEB exp*

kT

eV

dxxp

neDA

kT

eVJAI BE

C

E p

ieBnBE

BECEC exp

)(exp '

'

2

0

19


Efficacité d’injection d’émetteur:Efficacité d’injection d’émetteur:

Gain en courant en base commune:Gain en courant en base commune:

Gain en courant émetteur commun:Gain en courant émetteur commun:

Ep

nE I

I

nBi

SBSpE

C

Dne

QQJI

I

22

).(1

1

1B

C

I

I Rem: si on néglige Recomb Rem: si on néglige Recomb dans la base, identique à dans la base, identique à E

20


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

recombinaisons dans la recombinaisons dans la région région neutreneutre de la base de la base

n

ppB

n

srB

nnAeXQI eff

2/))0((

t

sC

QI

12

2

2

effB

n

t

n

rB

C

X

L

I

I

21


Introduction des recombinaisons Introduction des recombinaisons dans la dans la région déplétéerégion déplétée de la de la basebase

kT

eVW

AenI BE

Ti

rD 2exp

2

avec WT, largeur de la ZCE E-B.

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

rDrBBB IIII *

22


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

C

rD

EC

rDrBB

C

B

I

I

I

III

I

I

111 *

*BI

rBI

rDI

23

Les autres régimes de fonctionnement

Régime saturé: Les 2 jonctions sont polarisées en direct.

kT

eV

BS

nBikT

eV

spEBS

nBiE

BCBE

eQQ

DnAeeI

QQ

DnAeI

2222

kT

eV

spCBS

nBikT

eV

BS

nBiC

BCBE

eIQQ

DnAee

QQ

DnAeI

2222

n(x)

)0(exn

)( Bex Wn

QQS1S1

QQS2S2

Base

00 WWBB

24

Régime saturé

Régime de faible injection: (QS<<QB): 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)

kT

eV

sntkT

eV

A

iBBBS

kT

eV

sntkT

eV

A

iBBS

BCBC

BEBE

eJeN

nWWxenWQ

eJeN

nWxenWQ

2

2

2

1

2

1)(

2

1

2

1)0(

2

1

25

Régime saturé

Régime de faible injection: (QS<<QB): Autre « représentation » de la charge de saturation

(AblardAblard): On considère le transistor en régime normal avec une

charge QSN correspondant au même courant Icsat + une charge QSAT à calculer

00 WWBB

n(x)

)0(exn

)( Bex Wn

BaseBase

)()0( Bexex Wnn

QSN

QSAT

kT

eV

sntkT

eV

sntSN

BBSN

BCBE

eJeJQ

WWnneQ

))()0((2

1

kT

eV

sntkT

eV

sntSN

BBSN

BCBE

eJeJQ

WWnneQ

))()0((2

1

On obtient On obtient alorsalors:

kT

eV

sntSAT

BC

eJQ 2 kT

eV

sntSAT

BC

eJQ 2Responsable de la dégradation desResponsable de la dégradation desperformances dynamiquesperformances dynamiquesResponsable de la dégradation desResponsable de la dégradation desperformances dynamiquesperformances dynamiques

QST = QSN+QSAT

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 parasitesEn fait, ces résultats doivent être modifiés par des effets secondaires ou parasitesBkT

eV

kT

eV

iS WeeenQBCBE

)(2

122 B

kT

eV

kT

eV

iS WeeenQBCBE

)(2

122

kT

eV

i

B

nBkT

eV

i

B

nBn

BCBE

enW

eDen

W

eDJ 22

22 kT

eV

i

B

nBkT

eV

i

B

nBn

BCBE

enW

eDen

W

eDJ 22

22

pn

27

Effets secondaires

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

1

2

3

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

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 !

kT

eV

QQ

DnAeI BE

SB

nBiC exp)(

22

Si Si VVBCBC WWBB QQBB+Q+QSS

IIcc

ZCE B-CZCE B-C

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

BCZCE

SC

BB

dBC

pB

A

W

WeN

C

QV

C

CBB

DSC

DAAB

pt N

NNNeWV

2

)(2

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

BrBfB III BrBfB III

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 rc3 le plus petit possible) Résistances rc peu d’effet

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

résistances

)exp(

)(

'

'

kT

VeII

VVV

rrIIrrIIrV

BEBB

BEBEBE

beBCebBEeBE

33

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

Diminution (« collapse ») de Ic à fort courant (effet 1)

kT

eV

dxxp

neDAI

kT

eVJAI

BEC

E p

ieBnBEC

BECEC

exp)(

exp

'

'

2

0

Nc

Nb

x)

Wb0

E’ C’

Nc-n

Nb+n

x)

Wb0

E’ C’

34

Et l’effet 2 ????????????????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 Solutions: technologie inter digitéedigitée

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 CommunEmetteur Commun

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

Puissance de commande la plus petite possible

Emetteur CommunEmetteur Commun

38


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

Facteurs limitatifs ?

Temps de mise en conduction: Équation de continuité

de la charge:

IdQ

dt

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

nBB

tItQ

t

BC

tQtI

)(

)(

39


Mise en conduction: IICC 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:

CC R

VI

sat

2C

C R

VI

sat

2

nB

pBC

S D

dIQ sat

2

2

nB

pBC

S D

dIQ sat

2

2

)(1

1ln

nBSnON IQ

t

)(1

1ln

nBSnON IQ

t

40


Remarque: la charge peut augmenter pour sursaturer le transistor

Temps de Blocage: entrée à « 0 »: Évacuation de la charge Évacuation de la charge

stockéestockée

C’est le temps de stockageC’est le temps de stockage ttss

Au delà, même Au delà, même phénomène que jonction phénomène que jonction PNPN

S

nBnS Q

It

ln

S

nBnS Q

It

ln

Valeur finale:

Bn I

41


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 équivalent

CµIB

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

kT

eI

V

Ig C

BE

Cm

mBBE

B

geI

kT

V

Ir

1

mBBE

B

geI

kT

V

Ir

1

C

A

CE

Co I

V

V

Ir

1

C

A

CE

Co I

V

V

Ir

1

44


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

EBTSE CCC

CBTCC

dCSC

mFSE gC

BCBEB tttEF tttt

C

C

45


Fréquence de coupure (gain en courant =1)

Le gain en courant est donc donné par:

beµb

beµbemc

vCjCjr

i

vCjvgi

1

)()/1()(

µ

µm

b

c

CCjr

Cjg

i

i

)()/1()(

µ

µm

b

c

CCjr

Cjg

i

i

46


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

À hautes fréquences, PI domine

mµ gC )(1

)(µ

m

b

c

CCrj

rg

i

i

)(1)(

µ

m

b

c

CCrj

rg

i

i

)()(

µ

m

CCj

g

)()(

µ

m

CCj

g

47


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

Soit encore µ

mT CC

gf

2

)()(2

1ceTTSE

CF

T

rrCCCeI

kT

f BCBC

Temps de transit en directTemps de transit en direct

48


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

dBCb

T

Cr

ff

8max dBCb

T

Cr

ff

8max

49

Transistor Bipolaire à Hétérojonction

Expression du gain :

Si la base est courte:

2

2

2

2

211

1

1BEB

B

B

E

E

E

n

Beff

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

L

W

L

W

n

N

D

D

N

n

2

2

2

2

211

1

1BEB

B

B

E

E

E

n

Beff

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

L

W

L

W

n

N

D

D

N

n

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

L

W

n

N

D

D

N

n2

2

11

1

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

L

W

n

N

D

D

N

n2

2

11

1

50


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

Augmente la résistance de la Base, donc diminue fmax

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

L

W

n

N

D

D

N

n2

2

11

1

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

L

W

n

N

D

D

N

n2

2

11

1

51


Autre solution: Augmenter le dopage de l’émetteur

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

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

L

W

n

N

D

D

N

n2

2

11

1

EB

B

B

E

E

E

p

Beff

i

A

n

p

D

i

E

E

L

W

n

N

D

D

N

n2

2

11

1

)exp()()( 22

kT

EBasenémetteurn g

ii

.0)()( émetteurgbasegg EEE

52


kT

E

L

W

n

N

D

D

N

n g

p

Beff

i

A

n

p

D

i

EB

B

B

E

E

e exp12

2

kT

E

L

W

n

N

D

D

N

n g

p

Beff

i

A

n

p

D

i

EB

B

B

E

E

e exp12

2

1)exp(

1 kT

E

W

L

D

D

N

N g

Beff

p

p

n

A

D E

E

B

B

E

1)exp(

1 kT

E

W

L

D

D

N

N g

Beff

p

p

n

A

D E

E

B

B

E

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

53


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

Le TBH ou HBT

eb EgEgEg

54

Concentration

Electrons

Transistor à base Silicium - Germanium

kT

eVI

QQ

DnAeI BE

SpESB

nBiE exp)(

22

kT

eV

QQ

DnAeI BE

SB

nBiC exp)(

22

emet

teur

collecteurbase

)(2 Sini

)(2 SiGeni

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

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

56

57

Dispositifs BipolairesSi 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 mémoiresApplications mémoires Bipolaire : mémoires statiquesMOS : mémoires dynamiques

Applications Bi-CMOSApplications Bi-CMOSCombinaisons des 2 technologies:

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

MMIC (Microwave MillimeterIntegrated Circuit)

MMIC (Microwave MillimeterIntegrated Circuit)

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

Les applications des « Bipolaires »

Documents

Transistor Bipolaire