Transistor Bipolaire

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.

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

Principe de fonctionnement Géométrie: Latéral Vertical Dans les circuits numériques, structure verticale vertical npn B C E latéral

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

Géométrie avec oxyde d’isolation Muller et Kamins, « device electronics for IC »,2nd Ed., Wiley, 1986

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

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

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 d’injection)

Caractéristiques statiques Transistor NPN Transistor NPN

Distribution des porteurs minoritaires dans transistor npn idéal Avec recombinaisons

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

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

Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPN Or: Donc: Courant de saturation des électrons dans un PN « courte » ou sans recombinaison Avec :

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

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

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

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

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

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

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:

Paramètres statiques du transistor bipolaire 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

Les autres régimes de fonctionnement Régime saturé: Les 2 jonctions sont polarisées en direct. n(x) QS1 QS2 Base WB

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)

Régime saturé Régime de faible injection: (QS<<QB): Base WB 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 = QSN+QSAT n(x) Base QSN QSAT On obtient alors: Responsable de la dégradation des performances dynamiques WB

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

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

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 - Perçage ZCE B-C WB QB+QS Ic 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 ! Si VBC ZCE B-C WB QB+QS Ic

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

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

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

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’ C’ E’ C’ Nb Nb+Dn

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

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

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

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

Transistor bipolaire = interrupteur ? Mise en conduction: IC 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:

Transistor bipolaire = interrupteur ? 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 Valeur finale:

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

Transistor en ac: schéma équivalent IB

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

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

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

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

Transistor en ac: schéma équivalent On obtient alors la fréquence de coupure (« cutoff frequency ») en faisant iC/iB=1 Soit encore Temps de transit en direct

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

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

Transistor Bipolaire à Hétérojonction 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

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

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

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

Transistor à base Silicium - Germanium Concentration Electrons base emetteur collecteur Améliore le beta Améliore le temps de transit Dégrade la tension d’Early

Besoins pour les dispos bipolaires Fort gain Efficacité d’émetteur forte Vitesse élevée Demandes et Problèmes d’un BJT Demandes Problèmes Diminution du Gap: => injection par la Base émetteur fortement dopé 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

Dispositifs Bipolaires 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 coupure de l’ordre de 100 GHz Qualité de l’interface excellente => 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 > 180 GHz Accord de maille avec InP Intégration avec composants optoélectroniques Haute fréquence Évacuation thermique (puissance) Filière GaN/AlGaN

Les applications des « Bipolaires » 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 statiques MOS : mémoires dynamiques Applications Bi-CMOS Combinaisons des 2 technologies: On a l’avantage des 2: =>fort développement MMIC (Microwave Millimeter Integrated Circuit) Propriétés HF, puissance => amplificateurs, convertisseurs A/N