Composants actifs à semi

Composants actifs à semi-conducteurs
Résumé
Après les passifs, une autre catégorie d’éléments à semi-conducteurs utilise deux jonctions pour
constituer des composants actifs : Ce sont les transistors, déclinés en deux technologies principales.
D’abord les transistors bipolaires utilisent l’interaction de deux jonctions pour assurer
l’amplification du courant injecté dans la broche de commande, la base. Une fois indiqué le principe
de fonctionnement, les symboles des deux types d’éléments qui coexistent, NPN ou PNP, et la
polarisation adaptée à chacun d’eux, les caractéristiques statiques de fonctionnement sont décrites
(NPN seulement). C’est l’occasion d’y déceler un comportement linéaire favorable aux utilisations
en amplification et un autre, où est atteinte la saturation par accumulation des charges, adapté aux
applications en commutation. Dans les deux cas les lois de fonctionnement conduisent au modèle
simplifié adapté. En raison des charges stockées, la commutation s’intéresse plus spécifiquement à
la définition des durées de transition entre les deux états. Mais ce type de transistor peut aussi être
utilisé autour d’un point de fonctionnement où son comportement est linéaire. On y définit
alors un modèle équivalent dynamique (schéma et lois de comportement), en l’occurrence
hybride, qui relie les grandeurs d’entrée et de sortie du composant.
Une autre technologie utilise toujours deux jonctions, mais pour lesquels la largeur d’un canal est
contrôlée par une tension. Suivant le type du canal, N ou P, on définit deux types de transistors :
NMOS ou PMOS. Une fois définis les symboles, on s’attache particulièrement au transistor à
canal N au travers de sa caractéristique statique (le comportement de l’autre est symétrique en ce qui
concerne le signe des grandeurs). Là aussi, deux modes de fonctionnement sont décrits, linéaire
ou en commutation. Si le premier mode s’apparente à une résistance commandée en tension,
l’autre défini deux états, bloqué ou passant, conduisant à un modèle de type interrupteur contrôlé
en tension. Enfin, pour clôturer la description, le comportement dynamique utilisé en amplification
est abordé au travers du modèle équivalent à ce transistor.
Sommaire
I. Introduction ...........................................................................................................2
II. Transistor bipolaire ..............................................................................................2
II.1. Constitution – Symbole ..................................................................................................2
II.2. Eléments sur le fonctionnement (transistor NPN) ............................................................2
II.3. Polarisation et caractéristiques statiques.........................................................................3
II.4. Les deux modes de fonctionnement statique du transistor...............................................4
II.5. Fonctionnement linéaire ................................................................................................4
II.6. Fonctionnement en commutation ...................................................................................4
II.6.1. Deux états .............................................................................................................................4
II.6.2. Commutations du transistor...................................................................................................4
II.7. Comportement dynamique : schéma équivalent basse fréquence (BF) ............................5
II.7.1. Point de repos et variations....................................................................................................5
II.7.2. Modèle équivalent hybride ....................................................................................................5
II.8. Méthodologie d’étude des montages à transistors ..........................................................6
III. Transistor MOSFET ..............................................................................................7
III.1. Constitution – Symbole .................................................................................................7
III.2. Eléments sur le fonctionnement (canal N)......................................................................7
III.3. Caractéristiques statiques..............................................................................................8
III.4. Fonctionnement en commutation ..................................................................................8
III.5. Comportement dynamique : schéma équivalent basse fréquence (BF) ...........................9
III.5.1. Point de repos et variations...................................................................................................9
III.5.2. Modèle équivalent................................................................................................................9
IV. Bibliographie.......................................................................................................9
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I. Introduction
De par leurs propriétés électriques, les semi-conducteurs peuvent être assemblés pour constituer
des composants qui entrent dans la réalisation des fonctions électroniques. De manière générale, on
dit qu’ils sont passifs si l’énergie qu’ils absorbent est positive. S’ils en délivrent, on dit qu’ils sont actifs.
Dans cette classification, ce document aborde les composants actifs à semi-conducteurs.
II. Transistor bipolaire
II.1. Constitution – Symbole
Le transistor bipolaire est obtenu en enserrant un barreau semi-conducteur entre deux du type
opposé. On obtient ainsi deux possibilités : transistor NPN ou PNP. Les noms, les définitions des
broches et les symboles sont indiquées à la Figure 1 et la Figure 2. Les broches ainsi constituées ne
sont pas échangeables car les dopages sont différents (N ou P pour le collecteur et plus dense, N+
ou P+, pour l’émetteur).
P N
Base
Emetteur Collecteu
r
N+ N P
Base
Emetteur Collecteu
r
P+
Base
Emetteur
Collecteur
Base
Emetteur
Collecteur
Figure 1 : Transistor NPN. Figure 2 : Transistor PNP.
Remarque : un bon moyen pour se souvenir des symboles, la flèche rappelle le symbole de la
diode base–émetteur.
II.2. Eléments sur le fonctionnement (transistor NPN)
Les deux types de transistors ont des fonctionnements totalement symétriques (et similaires). L’étude
est alors limitée au transistor NPN (Figure 3). L’extension au PNP est obtenue par permutation des
symboles de broches et des signes des tensions et courants (Figure 4).
iB VCE
VCB
VBE iE
iC
iE
iC
iB
VCB
VBE
VCE
Figure 3 : Notations pour le transistor NPN. Figure 4 : Notations pour le transistor PNP
N+N
e–
P
Collecteur Base Emetteur
Jonction en direct
Jonction en inverse iB
iE iC e–
e–
E
r
Mouvement naturel des
porteurs majoritaires
A
ccélération due au
champ E
r
intense
e–
e–
vCB vBE
En fonctionnement normal, la jonction
émetteur-base est polarisée en direct et la
jonction base-collecteur en inverse (Figure 5).
La jonction BE voit l’émetteur injecter
massivement dans la base (par diffusion) des
électrons majoritaires en raison du dopage N+.
Or, la faible épaisseur de la base ne laisse pas
le temps à ces porteurs pour se recombiner
avec les trous présents dans cette zone.
Figure 5 : Structure du transistor NPN.
Sous l’effet du champ électrique intense base-collecteur, ces électrons sont propulsés dans le
collecteur. Il en résulte un courant dans l’émetteur iE plus important que celui dans la base iB car
nettement accentué par l’ « éjection » : on assiste à une amplification en courant.
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II.3. Polarisation et caractéristiques statiques
Avec les notations de la Figure 6 (tous les courants sont dans le sens réel) :
C
BE iii += [E1] (comme un nœud)
Pour chacun des transistors, les deux jonctions sont polarisées par des sources de tension comme
l’indique la Figure 6 pour le NPN et la Figure 7 pour le PNP.
RC
RB
+
+
vBE
vCE
iC
iB
RB
RC
+
+
vBE ≤0
vCE ≤0
iC
iB
Figure 6 : Polarisation du transistor NPN. Figure 7 : Polarisation du transistor PNP.
Avec le montage adapté, on relève les caractéristiques du transistor NPN indiquée à la Figure 8.
Aux signes près, les résultats sont similaires pour le transistor PNP…
vBE
vCE
vCE
iC
iB1
iB5
iB4
iB1
iB2
iB3
iB5
iBvCE
Hyperbole de
dissipation maximale
Figure 8 : Caractéristiques de fonctionnement du transistor.
Caractéristique de sortie
Caractéristique de
transfert en courant
Caractéristique d’entrée
Caractéristique de
transfert en tension
Les tensions et courants appliquées au composant sont toujours positifs. Les caractéristiques
utilisent cette propriété en traçant 4 axes, un par grandeur étudiée : iB, iC, vBE et vCE. Les autres sont
secondaires, mais peuvent être déduites de ces 4 là.
On distingue 4 réseaux de courbes :
• Caractéristiques d’entrée, iB = f(vBE) paramétrée par vCE,
caractéristique d’une diode en direct. La tension vBE est donc une tension de seuil (
≈ 0,7V) ;
• Caractéristiques de sortie, iC = f(vCE) paramétrée par iB,
pour différentes valeurs de iB, iC et vCE sont liés proportionnellement dans la limite de la
puissance maximale du composant (Pmax = cte, d’où l’hyperbole de dissipation maximale) ;
• Caractéristiques de transfert en courant, iC = f(iB) paramétrée par vCE,
traduit le fait que les courants iB et iC sont proportionnels ;
• Caractéristiques de transfert en tension, vCE = f(vBE) paramétrée par iB,
indique que vCE évolue peu pour vBE maintenue constante.
De l’exploitation des caractéristiques précédentes, on peut distingue les deux applications du
essentielles transistor :
• les courants iC et iB sont proportionnels, c’est le domaine du fonctionnement linéaire.
• l’autre cas apparaît lorsque l’on augmente iB. La relation de linéarité disparaît pour faire
place à la saturation du courant de collecteur, c’est le domaine du fonctionnement non
linéaire, saturé ou tout ou rien.
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II.4. Les deux modes de fonctionnement statique du transistor
iC
iB
Fonctionnement
linéaire
Fonctionnement
non linéaire
Droite iC = βiB
Linéaire saturation
En utilisant le schéma de la Figure 6, on relève le
courant iC en fonction de iB. Le courant iC croît
d’abord proportionnellement à iB, puis s’infléchit pour
ne plus augmenter : C’est la saturation. On ne peut
alors plus caractériser le fonctionnement par une
relation linéaire (Figure 9).
Dans le domaine linéaire, on utilise les propriétés
d’amplification en courant du transistor. Dans
l’autre cas, on ne distingue plus que deux cas
extrêmes traduisant un fonctionnement en tout ou
rien ou en commutation, particulièrement utilisé dans
les composants logiques. Figure 9 : Phénomène de saturation.
II.5. Fonctionnement linéaire
Lien entre les courants : i [E2]
B
Ci⋅=
β
où
β est le coefficient d’amplification en courant du transistor (souvent très grand)
La tension vBE est celle appliquée à la jonction B-E : elle est quasi constante en conduction.
Avec les relations [E1] et [E2] précédentes, on obtient : [E3] car i
C
BBE iiii ⋅≈⋅≈⋅+=
ββ )1( B << iC
II.6. Fonctionnement en commutation
II.6.1. Deux états
Deux cas se présentent :
• iB est nul, donc iC aussi.
Aucun courant ne circule dans le collecteur, le transistor est bloqué ;
• iB est tel que iC n’augmente plus
c’est le courant de saturation ICsat fixé par la source, le transistor est passant.
Les Figure 10 et Figure 11 résument les informations essentielles pour ce fonctionnement.
iB = 0 vCE = Valim
vBE ≈ 0 iE ≈ 0
IC ( = iC0 ) ≈ 0
iB > IC /βvCE (=VCEsat) ≈ 0,4V
vBE ≈ 0,7V iE
iC(≈ Valim /RC) = ICsat
Figure 10 : Transistor bloqué. Figure 11 : Transistor passant ou saturé.
II.6.2. Commutations du transistor
Le passage de l’état saturé à l’état bloqué (ou inversement) ne s’effectue pas instantanément. Ce
phénomène doit être systématiquement étudié si les commutations sont fréquentes (fonctionnement à
fréquence élevée), car il engendre des pertes dynamiques importantes (Figure 12).
A la fermeture (transition off-on)
Un retard de croissance de iC apparaît à la saturation. On définit le temps de retard (delay time)
noté td et le temps de croissance (rise time) noté tr.
La tension VCE est alors imposée par le circuit extérieur (charge, alimentation) et par l’allure de iC.
A l’ouverture (transition on-off)
Le courant de collecteur iC ne s’annule pas instantanément. On définit le temps de stockage
(storage time), noté ts, correspondant à l’évacuation des charges stockées (ce temps dépend du
coefficient de saturation β.iB/iCsat) et le temps de descente (fall time) noté tf.
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0
vCE
t
0
t
iC Saturation
0
iB
I
Csat
I
Bsat
0
p
T
t
t
td tr ts tf
Figure 12 : Définitions des temps relatifs à la commutation du transistor bipolaire.
Remarque : dans la pratique, les instants de changement ne sont pas clairement déterminés.
Pour en tenir compte, les temps sont définit pour 10% et 90% de la valeur finale.
II.7. Comportement dynamique : schéma équivalent basse fréquence (BF)
II.7.1. Point de repos et variations
Pour son utilisation en amplificateur, on recherche les propriétés linéaires du transistor. Il est
donc nécessaire de se placer en un point de la caractéristique autour duquel le comportement est
linéaire. Ce point est le point de repos, il correspond à la composante continue de la grandeur ;
tandis que la composante alternative rend compte des variations autour de ce point.
Lors des études, les grandeurs électriques sont dissociées en la somme de la composante continue
et de la composante variable :
• vCEtotale(t) = VCE0 + vCE(t) avec VCE0 = <vCEtotale(t)> soit vCE(t) = vCEtotale(t) – VCE0 ;
• iCtotal(t) = IC0 + iC(t) avec IC0 = <iCtotal(t)> ;
• vBEtotale(t) = VBE0 + vBE(t) avec VBE0 = <vBEtotale(t)> soit vBE(t) = vBEtotale(t) – VBE0 ;
• iBtotal(t) = IB0 + iB(t) avec IB0 = <iBtotal(t)>.
Par commodité, les études sont menées en considérant des variations sinusoïdales (autour du
point de repos).
II.7.2. Modèle équivalent hybride
Les grandeurs dynamiques sont définies en variations autour du point de repos.
Relations
Quadripôle
Transistor
bipolaire
iB iC
vBE vCE
Le montage incluant le transistor peut être représenté
par son quadripôle équivalent (Figure 13) régit par les
relations :
+=
+=
CE
B
C
CE
BBE
vhihi
vhihv
2221
1211
Figure 13 : Quadripôle de T.
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