II.1 Les transistors : introduction Les transistors et leurs utilisations • Domaines d’utilisation : – Numérique (CMOS) : µProcesseur, µContrôleurs, FPGA et ASIC, CAN/CNA, mémoires… ⇒ transistors MOSFET C. Koeniguer 2013/2014 – Analogique : amplification (AO, ampli audio, ampli HF), interrupteurs analogiques, … ⇒ transistors bipolaires et MOSFET • Présents dans des circuits – Faible puissance : CMOS, composants analogiques – Forte puissance : conversion d’énergie (redresseurs, onduleurs, commandes des moteurs, hacheurs …) Composants et capteurs 13 II.1 Les transistors : introduction Variétés des composants • Composants réalisés à base de : SC, isolants et métaux • Grande variété de transistors : C. Koeniguer 2013/2014 o Caractéristiques différentes selon leurs différentes structures internes o Domaines d’utilisations différents : faibles ou très forts courants/tensions Tailles différentes Fréquences d’utilisations différentes … o Composants discrets ou intégrés ⇒ gammes de courants/tensions et tailles très différents Composants et capteurs 14 II.1 Les transistors : introduction Broches et grandeurs électriques • Composant à 3 (ou 4) broches – 3 grandeurs caractérisent le composant ⇒ 2 degrés de libertés : 2 tensions fixent 1 courant • Comportement « complexe » / dipôle : – Source de courant commandée (par une tension/courant) C. Koeniguer 2013/2014 ⇒ Amplification, sources stabilisées (tension ou courant) – Résistance commandée (par une tension) – Interrupteur commandé ⇒ fonctionnement en « tout ou rien » : numérique Composants et capteurs 15 II.1 Les transistors : introduction Classification des transistors FET Type de contrôle du « canal » Jonction PN JFET Canal N Bipolaires Capa MOS Jonction Shottky MOSFET Canal P Canal N Canal P MESFET Canal N Canal P C. Koeniguer 2013/2014 Non décrit Normally ON Normally OFF Normally ON Normally OFF Composants et capteurs NPN PNP Type de porteur ... Dopage : existence ou non du « canal » à l'équilibre 16 II.2 Les transistors : Les MOSFET Les grandeurs et les broches des FET • 4 broches : • Grille (Gate) : G • Drain : D • Source : S • Substrat : Sub, qui est très souvent relié à la source C. Koeniguer 2013/2014 • 3 grandeurs pertinentes : • Courant IDS • Tension VGS • Tension VDS • Courant IGS=0 en statique et en basse fréquence car capacité entre G et S Drain (D) Grille (G) Substrat (Sub) Source (S) Composants et capteurs 17 II.2 Les transistors : Les MOSFET Les symboles normalisés (FET) Normally ON Normally OFF (à appauvrissement) (à enrichissement) NMOS, Normally ON NMOS, Normally OFF NMOS Drain (D) Grille (G) C. Koeniguer 2013/2014 PMOS, Normally ON PMOS, Normally OFF Substrat (Sub) Source (S) PMOS Composants et capteurs 18 II.2 Les transistors : Les MOSFET Fonctionnement simplifié (FET) • 1 grandeur de « contrôle » : o VGS contrôle la section S(x) o ⇒ contrôle de la résistance entre D et S (contrôle du débit d’électrons donc du courant) • Evolution des grandeurs dans le « dipôle » DS : • VDS permet de faire circuler les charges (e- ou trous) entre D et S • Différentes lois de variations entre D et S • Courant dépend de VGS et de VDS S(x) • Canal ∼ résistance entre D et S (1ère approximation) G C. Koeniguer 2013/2014 VGS Robinet, Vanne D S IDS VDS Composants et capteurs IDS 19 II.2 Les transistors : Les MOSFET Caractéristiques statiques idéales • 2 graphes en 2D C. Koeniguer 2013/2014 𝐼𝐷𝑆 = 𝑓(𝑉𝐷𝑆 ) à 𝑉𝐺𝑆 constante 𝐼𝐷𝑆 = 𝑓(𝑉𝐺𝑆 ) à 𝑉𝐷𝑆 constante (zone de saturation du courant) Rappel : courant IGS = 0 en statique • On étudiera le NMOS Normally OFF • Puis on comparera les caractéristiques des autres MOS Composants et capteurs 20 II.2 Les transistors : Les MOSFET Caractéristiques statiques idéales (1) Caractéristique IDS = f(VDS), paramétrée par VGS Il existe une tension VT>0, tension de seuil telle que : • 𝑉𝐺𝑆 < 𝑉𝑇 : pas de courant • 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑇 : courant peu circuler entre D et S si potentiel 𝑉𝐷𝑆 ≠ 0 Datatsheet : BS170 Zone de « pincement » : // saturation du courant IDS 𝑉𝐺𝑆4 𝑉𝐺𝑆3 C. Koeniguer 2013/2014 zone ohmique (linéaire) VGS>VT 𝑉𝐺𝑆2 𝑉𝐺𝑆1 VGS<VT Etat bloqué VDS Composants et capteurs 21 II.2 Les transistors : Les MOSFET Caractéristiques statiques idéales (1) Caractéristique IDS = f(VDS), paramétrée par VGS D IDS indépendant deVDS : source de courant D S IDS 𝑉𝐺𝑆4 𝑉𝐺𝑆3 S C. Koeniguer 2013/2014 RDSon 1 K VGS VT 𝑉𝐺𝑆2 𝑉𝐺𝑆1 VGS<VT VDS Source Datatsheet : BS 170 Composants et capteurs VGS>VT Drain 22 II.2 Les transistors : Les MOSFET Caractéristiques statiques réelles C. Koeniguer 2013/2014 Datatsheet : BS170 Datatsheet : 2N 7000 Composants et capteurs 23 II.2 Les transistors : Les MOSFET Caractéristiques statiques Caractéristique IDS = f(VGS), dans la zone de pincement IDS I DS VT VGS I DS 0 1 VT 2 VGS C. Koeniguer 2013/2014 Datatsheet : BS170 Composants et capteurs 24 II.2 Les transistors : Les MOSFET Lien entre les caractéristiques IDS IDS NMOS, Normally OFF VGS>VT VGS<VT VT VDS NMOS, Normally ON VGS IDS IDS VGS=0 VGS<VT VDS PMOS, Normally OFF VT<0 VGS IDS VT<0 VGS>VT VDS VGS>VT VGS=0 VGS IDS IDS PMOS, Normally ON IDS VT>0 VDS VGS II.2 Les transistors : Les MOSFET C. Koeniguer 2013/2014 Lien entre les caractéristiques Composants et capteurs 26 II.2 Les transistors : Les MOSFET C. Koeniguer 2013/2014 MOS de puissance : aire de sécurité et diode // Composants et capteurs 27 II.2 Les transistors : Les MOSFET Comportement du transistor en fréquence • Montages à transistors : quadripôles (potentiel commun entrée/sortie) • « Entrée » : entre G et S – Basse fréquence : circuit ouvert (pas de courant) – Haute fréquence : condensateur (fF à 10 pF) • « sortie » : entre D et S C. Koeniguer 2013/2014 – Zone linéaire : résistance – Zone de pincement : source de courant Composants et capteurs 28 II.2 Les transistors : Les MOSFET Applications : Logique CMOS IDS 1.Inverseur CMOS VDD -VDD -VT -VDD VT Ve VS Ve=0 : VGSn= 0 <VT NMOS bloqué VGSp= -VDD<-VT PMOS passant C. Koeniguer 2013/2014 VGS Ve=VDD : VGSn= VDD >VT NMOS passant VGSp= 0 > -VT PMOS bloqué VS=VDD VS=0 Pertes par transfert de charge dans les capacités uniquement Composants et capteurs 29 II.2 Les transistors : Les MOSFET Applications : Logique CMOS 2. Porte NAND VDD a b C. Koeniguer 2013/2014 Vs Composants et capteurs 30 II.2 Les transistors : Les MOSFET Applications : Logique CMOS 3. Méthode de synthèse : principe Bloc N : • actif aux entrées à 1 • inactif aux entrées à 0 • sortie : réalise la valeur 0 en fonction des entrées (à l'état haut) s=f( a, b,...) Bloc P : • actif aux entrées à 0 • inactif aux entrées à 1 • sortie : réalise la valeur 1 en fonction des entrées complémentées (état bas) : s=f(a,b,...) Pour synthétiser une fonction f(a,b,...): 1. Deux blocs complémentaires (CMOS) : C. Koeniguer 2013/2014 • • type N : permet de réagir aux entrées à 1 et de fournir 0 type P : permet de réagir aux entrées à 0 et de fournir 1 2. Ecrire la fonction f sous la forme : • f(a,b,...)=g(a, b, ...) synthèse du bloc P • f(a,b,...)=h(a, b, ...) synthèse du bloc N Composants et capteurs 31 II.2 Les transistors : Les MOSFET Applications : Logique CMOS 4. méthode de synthèse : Exemples g(a,b)= a + b mise en // VDD a Porte NAND : f(a,b)= a . b b C. Koeniguer 2013/2014 Vs h(a,b)= a . b mise en série Composants et capteurs 32 II.2 Les transistors : Les MOSFET Applications : Le MOS en commutation E i E i Circuit ouvert : i =0 Ve < VT Circuit Ve E C. Koeniguer 2013/2014 Ve i Ve > VT Circuit RDS(Ve) Ve Composants et capteurs Circuit fermé : On peut calculer i Rem : • RDS peut être négligée • Vérifier linéaire VDS(Ve) 33 II.2 Les transistors : Les MOSFET Applications : Le MOS en commutation C. Koeniguer 2013/2014 Commande en pont d’une MCC, ampli audio classe D, … Datatsheet : IRS2453 Composants et capteurs 34 II.2 Les transistors : Les MOSFET Autres Applications • Numérique : – Circuits intégrés CMOS (calcul) – Mémoire DRAM, SRAM, flash … C. Koeniguer 2013/2014 • Analogique/numérique : interrupteur CMOS bidirectionnel • Analogique : amplification Composants et capteurs 35 II.3 Les transistors : Les bipolaires Broches Bipolaire MOSFET • 3 broches : • Base : B • Collecteur : C • Emetteur : E C. Koeniguer 2013/2014 • 5 grandeurs pertinentes : • Courants IC et IE • Courants IB ou tension VBE • Tension VCE • 4 broches : • Grille (Gate) : G • Drain : D • Source : S • Substrat : • 3 grandeurs pertinentes : • Courant IDS • Tension VGS • Tension VDS • Courant IGS=0 en statique et en basse fréquence car capacité entre G et S Composants et capteurs 36 II.3 Les transistors : Les bipolaires Symboles C C B B E E PNP (équivalent PMOS) C. Koeniguer 2013/2014 NPN (équivalent NMOS) E P N C N E C P N P B B Composants et capteurs 37 II.3 Les transistors : Les bipolaires Caractéristique statique Fonctionnement saturé C B B OU C E E Fonctionnement « normal » C Ic= IB B IB IC E • Source de courant • Paramétrée par IB • 𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵 C. Koeniguer 2013/2014 IB VCE • 𝛽 ∈ 100; 400 ⇒ 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸 • 𝛽≫1 • BE : diode (IE courant direct) 𝑉𝐵𝐸 C Régime bloqué B 𝑈𝑇 • 𝐼𝐸 ≈ 𝐼𝑆 𝑒 • Tension VBE : 0.7 V (tension seuil diode) E Composants et capteurs 38 II.3 Les transistors : Les bipolaires Applications • La plupart des circuits analogiques intégrés : – Ampli (AO, audio faible puissance) – Multiplieurs • Amplificateurs à transistors discrets : – BF : audio – HF : télécoms C. Koeniguer 2013/2014 Datatsheet : TL081 Composants et capteurs 39 II.3 Les transistors : Les bipolaires Collecteur ouvert Exemple du LM311 (comparateur) C. Koeniguer 2013/2014 R • la sortie n’est pas reliée à un potentiel ⇒ fixer une résistance R entre collecteur et niveau haut ⇒ permet de fixer le niveau haut indépendamment de la tension d’alimentation ⇒ dimensionner la résistance (transistor saturé) • Equivalent en MOS : Drain ouvert Composants et capteurs 40