transistors

TP3 : transistors
Laboratoire de Physique III - Electronique
Année 2015-16
Sergio Gonzalez Sevilla
[email protected]
Rappel: courbe caractéristique d’une diode
Sergio Gonzalez-
Sergio Gonzalez Sevilla (UniGe) - Année 2015-16
2
Transistor Bipolaire à Jonction
• Transistor Bipolaire à jonction (BJT: Bipolar Junction Transistor)
‣
trois régions à semi-conducteurs dopés, séparés par deux jonctions PN
๏ émetteur (E): fortement dopée
๏ base (B): étroite, légèrement dopée
๏ collecteur (C): large, dopage plus faible que celui de l’émetteur
n+
E
(émetteur)
p
N
P
N
B
C
E
(collecteur)
jonction
base-émetteur
jonction
base-collecteur
B
(Base)
Transistor Bipolaire
NPN
Sergio Gonzalez-
n
C
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contacts aluminium
émetteur
SiO2
n+
base
collecteur
p
n
3
Transistor Bipolaire à Jonction
• Transistor Bipolaire à jonction (BJT: Bipolar Junction Transistor)
‣
trois régions à semi-conducteurs dopés, séparés par deux jonctions PN
๏ émetteur (E): fortement dopée
๏ base (B): étroite, légèrement dopée
๏ collecteur (C): large, dopage plus faible que celui de l’émetteur
p+
E
(émetteur)
n
P
N
P
B
C
E
(collecteur)
jonction
base-émetteur
jonction
base-collecteur
B
(Base)
Transistor Bipolaire
PNP
Sergio Gonzalez-
p
C
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contacts aluminium
émetteur
SiO2
p+
base
collecteur
n
p
4
Transistor non polarisé
+ pn):
Transistor
bipolaire
NPN
(n
•
‣
‣
les électrons sont majoritaires dans l’émetteur et le collecteur
les trous sont majoritaires dans la base
electron libre
trou
E
C
B
jonction baseémetteur (BE)
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jonction basecollecteur (BC)
5
Transistor non polarisé
+ pn):
Transistor
bipolaire
NPN
(n
•
‣
‣
les électrons sont majoritaires dans l’émetteur et le collecteur
les trous sont majoritaires dans la base
• La diffusion des électrons libres à travers les deux jonctions produit
deux zones de déplétion (ou d’appauvrissement)
‣
‣
régions dépourvues de porteurs majoritaires; barrière de potential ~0.7V (Si)
à cause des différentes concentrations dans les trois régions dopées, la
pénétration de la zone de déplétion varie:
๏ largeur côté émetteur << largeur côté base
๏ largeur côté collecteur >~ largeur côté base
+
+
+
+
E
+
+
+
+
B
ion positif
jonction baseémetteur (BE)
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+
+
+
+
C
ion négatif
jonction basecollecteur (BC)
6
Transistor polarisé
• Considérons la jonction base-émetteur (BE) polarisée en directe
E
B
+
V1
C
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7
Transistor polarisé
• Considérons la jonction base-émetteur (BE) polarisée en directe
‣
le champ électrique dans la région de déplétion BE (champ interne de la
région n→p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe
(crée par la source externe) sont opposés
champ électrique externe
champ électrique interne (région de déplétion)
E
B
+
V1
C
Sergio Gonzalez-
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8
Transistor polarisé
• Considérons la jonction base-émetteur (BE) polarisée en directe
‣
le champ électrique dans la région de déplétion BE (champ interne de la
région n→p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe
(crée par la source externe) sont opposés
‣
‣
la différence de potentiel aux bornes de la région de déplétion: ΔV= V 0 - V 1
la région de déplétion se rétrécit
barrière de potentiel
(~0.7 V)
E
B
+
V1
C
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9
Transistor polarisé
• Considérons la jonction base-émetteur (BE) polarisée en directe
‣
le champ électrique dans la région de déplétion BE (champ interne de la
région n→p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe
(crée par la source externe) sont opposés
‣
‣
‣
la différence de potentiel aux bornes de la région de déplétion: ΔV= V 0 - V 1
la région de déplétion se rétrécit
un grand courant circule entre l’émetteur et la base
barrière de potentiel
(~0.7 V)
๏ ce courant est composé principalement des électrons injectés à travers l’émetteur;
l’injection de trous de la base vers l’émetteur est largement réduite par rapport à celle
d’électrons E→B à cause de la différence en dopage entre émetteur et collecteur
IE
électrons
E
B
+
V1
C
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IB
10
Transistor polarisé
• Considérons la jonction base-collecteur (BC) polarisée en inverse
E
C
Sergio Gonzalez-
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+
B
V2
11
Transistor polarisé
• Considérons la jonction base-collecteur (BC) polarisée en inverse
‣
le champ électrique dans la région de déplétion BC (champ interne de la
région n→p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe
(crée par la source externe) sont alignés
champ électrique externe
champ électrique interne (région de déplétion)
E
C
Sergio Gonzalez-
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+
B
V2
12
Transistor polarisé
• Considérons la jonction base-collecteur (BC) polarisée en inverse
‣
le champ électrique dans la région de déplétion BC (champ interne de la
région n→p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe
(crée par la source externe) sont alignés
‣
‣
la différence de potentiel aux bornes de la région de déplétion: ΔV= V 0 + V 2
la région de déplétion s’élargit
E
C
Sergio Gonzalez-
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+
B
V2
13
Transistor polarisé
• Considérons la jonction base-collecteur (BC) polarisée en inverse
‣
le champ électrique dans la région de déplétion BC (champ interne de la
région n→p crée par la présence des ions) et le champ électrique externe
(crée par la source externe) sont alignés
‣
‣
‣
la différence de potentiel aux bornes de la région de déplétion: ΔV= V 0 + V 2
la région de déplétion s’élargit
un très faible courant circule entre la base et le collecteur
๏ porteurs de charge crées par agitation thermique porteurs minoritaires à l’origine d’un
(négligeable) courant inverse (ou courant de saturation)
E
C
Sergio Gonzalez-
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+
B
V2
14
Transistor polarisé en directe-inverse
• Polarisation des deux jonctions (BE et BC):
‣
‣
jonction base-émetteur (BE): en polarisation directe (V B > V E)
jonction base-collecteur (BC): en polarisation inverse (V C > V E)
E
+
B
Sergio Gonzalez-
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+
V1
C
V2
15
Transistor polarisé en directe-inverse
1.- Injection d’électrons E→B
‣
ces électrons diffusent aisément à travers la jonction BE, jusqu’à la région P
où ils deviennent porteurs minoritaires
électrons
E
C
+
+
B
Sergio Gonzalez-
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16
Transistor polarisé en directe-inverse
1.- Injection d’électrons E→B
‣
ces électrons diffusent aisément à travers la jonction BE, jusqu’à la région P
où ils deviennent porteurs minoritaires
‣
la base, faiblement dopée et très mince, possède un nombre très limité de
trous ➡ seul un faible pourcentage des électrons circulant à travers la jonction
BE peut se combiner avec les trous disponibles
électrons
E
C
+
+
B
Sergio Gonzalez-
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17
Transistor polarisé en directe-inverse
1.- Injection d’électrons E→B
‣
ces électrons diffusent aisément à travers la jonction BE, jusqu’à la région P
où ils deviennent porteurs minoritaires
‣
la base, faiblement dopée et très mince, possède un nombre très limité de
trous ➡ seul un faible pourcentage des électrons circulant à travers la jonction
BE peut se combiner avec les trous disponibles
‣
ces quelques électrons recombinés circulent hors de la base comme des
électrons de valence, constituant un petit courant de base I B
électrons
E
C
+
Sergio Gonzalez-
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+
B
IB
18
Transistor polarisé en directe-inverse
1.- Injection d’électrons E→B
‣
ces électrons diffusent aisément à travers la jonction BE, jusqu’à la région P
où ils deviennent porteurs minoritaires
‣
la base, faiblement dopée et très mince, possède un nombre très limité de
trous ➡ seul un faible pourcentage des électrons circulant à travers la jonction
BE peut se combiner avec les trous disponibles
‣
ces quelques électrons recombinés circulent hors de la base comme des
électrons de valence, constituant un petit courant de base I B
‣ le courant à travers la jonction BE est le courant de l’émetteur I E
๏ composé principalement par le courant électronique
IE
électrons
E
C
+
Sergio Gonzalez-
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+
B
IB
19
Transistor polarisé en directe-inverse
2.- Courant du collecteur
‣
la plupart des électrons injectés par l’émetteur ne se recombinent pas mais
se diffusent vers la région de déplétion BC
‣
ils sont attirés à travers la jonction par le champ électrique interne + le
champ électrique externe (jonction BC en polarisation inverse)
IE
électrons
électrons
E
C
+
Sergio Gonzalez-
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+
B
IB
20
Transistor polarisé en directe-inverse
2.- Courant du collecteur
‣
la plupart des électrons injectés par l’émetteur ne se recombinent pas mais
se diffusent vers la région de déplétion BC
‣
ils sont attirés à travers la jonction par le champ électrique interne + le
champ électrique externe (jonction BC en polarisation inverse)
‣
les électrons du collecteur passent alors au fil conducteur externe ➡ courant
du collecteur I C
๏ composé par le courant électronique
IE
électrons
électrons
E
C
+
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+
B
Sergio Gonzalez-
IC
IB
21
Courants du transistor
• Le courant émetteur est la somme du courant au collecteur et du
courant de base, tel que:
IE = IC + IB
IE
N
+
Sergio Gonzalez-
IE
IC
P
N
IB
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IC
+
+
+
IB
Transistor NPN
22
Courants du transistor
• Le courant émetteur est la somme du courant au collecteur et du
courant de base, tel que:
IE = IC + IB
IE
+
P
N
P
IB
Sergio Gonzalez-
IE
IC
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IC
+
+
IB
+
Transistor PNP
23
Rapport α
• Si, par exemple, environ 5% des électrons injectés par l’émetteur se
recombinent avec des trous dans la base, environ 95% des électrons
injectés atteignent collecteur ➡ le courant collecteur I C est presque
égale au courant émetteur I E
• Le rapport α (facteur de transport) indique la proximité des valeurs de
ces deux courants:
↵=
IC
IE
• Remarques:
‣
‣
‣
plus la base est étroite et légèrement dopée, plus α est grand
idéalement, si tous les électrons passent au collecteur α =1
typiquement, α possède une valeur de 0.95 à 0.99
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24
Gain (facteur β)
• Le facteur β correspond au rapport entre le courant collecteur et le
courant base:
=
IC
IB
• β constitue le gain direct en courant et est habituellement désigné
par le terme h FE sur les fiches techniques des transistors
• Remarques:
‣
Moins de 5% des électrons injectés par l’émetteur se recombinent avec des
trous de la base pour produire I B; par conséquent, β est presque toujours
plus grand que 20
‣
‣
Habituellement, β est compris entre 50 et 300.
Quelques transistors ont un β~1000
Sergio Gonzalez-
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25
T RANSISTORS
Tensions du transistor
TION
pour le transistor polarisé sont:
• Les trois tensions
When a transistor is connected to dc bias voltages, as shown in Figure 4–
‣
tension d’émetteur V E, la tension du collecteur V C et la tension de base V B
and pnp types, VBB forward-biases the base-emitter junction, and VCC reve
(tensions par rapport à la masse)
base-collector junction. Although in this chapter we are using separate batte
du collecteur
est égale
la tension
d’alimentation
c.c.
represent
the bias voltages,
in àpractice
the voltages
are often derived
fro
• la tension
(V CC) moins
tension
bornes
RC
powerlasupply.
For aux
example,
VCCde
is normally
taken directly from the power
andde
VBBbase
(which
smaller)
cantension
be produced
with a voltage
Bias circ
estiségale
à la
d’émetteur
plus divider.
la barrière
• la tension
ined thoroughly
in Chapter
5.
de potentiel
de la jonction
base-émetteur
(V BE), qui est ~ 0.7 V
RB
+
VBB
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VB
IB
–
(a) npn
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VC = VCC
IC
RC
VC
+
VCC
VE
IE
–
IC C
RC IC R
RB
VB = VE + VBE
IB
– = 0V
V
VBBE
+
(b) pnp
VCC
–
+
IE
26
Open the Multisim file E04-02 in the Examples folder on theAssume
companion
website.
that VBB is set to produce a certain value of IB and VCC
Measure each current and voltage and compare with the calculated
tion, both thevalues.
base-emitter junction and the base-collector junction
Courbes caractéristiques du collecteur
cause the base is at approximately 0.7 V while the emitter and the
base current is through the base-emitter junction because of the
On fait varier V BB et V CC pour établir différentes tensions et courants
•
Curves
dans le transistor
in Figure 4–10(a), a set of collector characteristic curves
typiquement, on fixe une valeur de I B et on varie V CC pour mesurer I CRB et V CE +
‣
ow the collector current, IC, varies with the collector-toVCE
ied values
of base current,
in the circuit V
diagram
A mesure
que Il’on
augmente
B. Notice
CC, V CE et I C augment
IB
–
+
VBB
able sources of voltage.
lorsque
V
~
0.7
V,
la
jonction
base-collecteur
passe
en
polarisation
inverse
–
oduce‣a certain valueCE
of IB and VCC is zero. For this condiB) et I C junction
atteintare
saforward-biased
valeur maximale
(I C = β.I B)
tion and (point
the base-collector
beely 0.7 V while
andettheaugmente
collector are
at 0 V. Theavec V CE suite à l’élargissement
(a) Circuit
๏ I C the
se emitter
stabilise,
légèrement
de la région de
se-emitter junction
because
of the low impedance path to
déplétion
base-collecteur
IC
IC
•
RC
B
IC
RB
+
VBB
IB
C
+
VCE
+
région linéaire (active)
–
–
VCC
région de saturation
–
A
0
(a) Circuit
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VCE(max)
0.7 V
Saturation
region
Active region
(b) IC versus VCE curve for one value of IB
VCE
Breakdown
region
0
(c) Fa
(IB
27
Courbes caractéristiques du collecteur
IC
+
+
V
En
utilisant
d’autres valeurs pour I B, nous pouvons dessiner des
•–
–
courbes additionnelles de I C en fonction de V CE
VCE
‣
CC
ces courbes constituent une famille de courbes pour le collecteur d’un
transistor donné
IC
IB6
IB5
IB4
IB3
IB2
IB1
Cutoff region
IB = 0
0
VCE
(c) Family of IC versus VCE curves for several values of IB
(IB1< IB2 < IB3, etc.)
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28
Blocage
IC
+
Cutoff
+
V
As previously
mentioned,(cutoff
when IBregion)
= 0, the transistor is in t
Lorsque
I
=
0,
le
transistor
est
en
blocage
B
•
–
VCE
–
‣
‣
IC
CC
in Figureinverse
4–13 with the base lead open,
les deux jonctions BE ettion.
BC This
sont isenshown
polarisation
zero. Under this condition, there is a very small amount of co
infime quantité de courant
de fuitetoI CEO
(collector
to emitter
with
base Iopen)is e
due mainly
thermally
produced
carriers.
Because
CEO
au collecteur causé par de porteurs générés par effet thermique
be neglected in circuit analysis so that VCE = VCC. In cutoff
négligeable, etjunctions
donc V CE are
= Vforward-biased.
๏ I CEO est dans la pratique
CC
the base-collector
The subscr
to-emitter with the base open.
IB6
IB5
RC
"
IB4
RB
IB3
IB2
IB = 0
IB1
Cutoff region
+
ICEO
VCE ≅ VCC
–
+
–
VCC
F
Cuto
(ICEO
usua
base
reve
IB = 0
VCE
0
(c) Family of IC versus VCE curves for several values of IB
(IB1< IB2 < IB3, etc.)
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Saturation
29
For any given transistor, a maximum power dissipation curve can be p
Valeurs maximales
du
transistor
lector characteristic curves, as shown in Figure 4–18(a). These values
Figure 4–18(b). Assume PD(max) is 500 mW, VCE(max) is 20 V, and IC(ma
V CE x I C ne doit pas excéder la dissipation de puissance
• Le produit curve
shows that this particular transistor cannot be operated in the shad
maximale.
graph. IC(max) is the limiting rating between points A and B, PD(max) is th
de V CE et I C ne peuvent pas être maximales en même temps
‣ les valeurs
between points B and C, and VCE(max) is the limiting rating between poin
‣
I C = P D(max) / V CE
• Une courbe de dissipation maximale peut être tracée sur les courbes
du collecteur
IC (mA)
60
IC(max)
B
A
50
40
30
C
20
PD(max)
10
D
0
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5
10
15
20
VCE(max)
VCE (V)
500 mW
500 mW
500 mW
500 mW
1
1
2
30
Transistor à effet de champ à jonction
• Contrairement aux transistor bipolaire à jonction, qui est un
composant contrôlé par le courant (le courant de base détermine la
quantité de courant au collecteur), le transistor à effet de champ
(Field Effect Transistor, FET) est contrôlé par la tension.
‣
Le transistor à effet de champ à jonction (JFET) est un type de FET qui
fonctionne avec une jonction en polarisation inverse pour contrôler le
courant du canal
D
(drain)
D
N
G
(grille)
P
P
G
N
S
S
Sergio Gonzalez-
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Transistor JFET
à canal N
(Source)
31
Transistor à effet de champ à jonction
• VDD fournit une tension entre le drain et la source
‣
courant d’électrons de la source vers le drain
• VGG fournit la tension de polarisation inverse entre grille et source
‣
création d’une zone de déplétion dans le canal de type N et donc
augmentation de sa résistance
‣
la largeur du canal (et donc le courant de drain I D) est contrôlée par la
tension de la grille
N
D
zone de
déplétion
G
VGG
Sergio Gonzalez-
Sergio Gonzalez Sevilla (UniGe) - Année 2015-16
P
P
VDD
N
S
32
Caractéristiques
• Considérons d’abord le cas où VGS = 0 V (cout-circuit de la grille et
la source) ➡ I D augmente proportionnellement avec l’augmentation
de V DD (V DS augmente avec V DD)
• Dans cette région (entre les points A et B), la résistance du canal est
~ constante (zone de déplétion n’est pas assez large pour donner un
effet significatif) ➡ région ohmique
Région
ohmique
Sergio Gonzalez-
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Région à courant
constant
Vp (tension de pincement)
Claquage
33
Caractéristiques
• Le point où ID demeure essentiellement constant malgrès
l’augmentation de V DS est la tension de pincement (point B)
‣
la tension de polarisation inverse entre la grille et le drain (V GD) produit une
région de déplétion assez large pour repousser l’augmentation en V DS et
maintenir le courant I D relativement constant
‣
courant de drain constant: I DSS (Drain to Source current with gate Shorted)
๏ I DSS est le courant maximal qu’un JFET peut produire
Région
ohmique
Sergio Gonzalez-
Sergio Gonzalez Sevilla (UniGe) - Année 2015-16
Région à courant
constant
Vp (tension de pincement)
Claquage
34
Contrôle de ID par VGS
• Si on applique une tension de polarisation VGG, à mesure que la
valeur de V GS devient de plus en plus négative par l’ajustement de
V GG, une famille de courbes caractéristiques de drain est produite
• A mesure que VGS devient de plus en plus négative:
‣
I D ainsi que le voltage de pincement V p diminuent
Sergio Gonzalez-
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35
Tension de blocage
• La valeur de VGS qui donne ID ~ 0 est la tension de blocage VGS(off)
‣
les couches de déplétion s’élargissent jusqu’à se toucher ➡ obturation
complète du canal conducteur
‣
Le FET doit être utilisé entre V GS = 0 V et V GS(off)
๏ pour cette échelle de tensions entre grille et source, I D variera entre une valeur
maximale (I DSS) jusqu’à une valeur minimale presque nulle
Sergio Gonzalez-
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36
N-Channel 60-V (D-S) MOSFET
Pins des transistors
BJT (2N3904)
FEATURES
! TrenchFET" Power MOSFET
! ESD Protected: 2000 V C
ODUCT SUMMARY
DS (V)
rDS(on) (!)
2 @ VGS = 10 V
60
4 @ VGS = 4.5 V
VGS(th) (V)
ID (A)
APPLICATIONS
0.47
1 0 to 2.5
1.0
25
E
TO-226AA
(TO-92)
S
G
D
MOSFET (BS170KL)
1
Device Marking
Front View
D
2
G
3
“S” = Siliconix Logo
xxyy = Date Code
S
Sergio Gonzalez-
ring
Information:
2N7000KL-TR1
Sergio
Gonzalez Sevilla
(UniGe) - Année 2015-16
B
C
TO-92-18RM
(TO-18 Lead Form)
“S” 2N
7000KL
xxyy
Top View
! Direct Logic-Level Interface: TTL/CMOS
B
! Soild State Relays
! Drivers: Relays, Solenoids, Lamps, Hammers,
Displays, Memories, Transistors, etc.
! Battery Operated Systems
E
0.33
D
1
D
Device Marking
Front View
2
“S” BS
170KL
xxyy
3
“S” = Siliconix Logo
xxyy = Date Code
Top View
Ordering Information: BS170KL-TR1
100 !
G
G
S
S
37
Test au multimètre
Sergio Gonzalez-
Sergio Gonzalez Sevilla (UniGe) - Année 2015-16
38
Bon travail !!
Sergio Gonzalez Sevilla (UniGe)