Notion de dopage Le dopage permet d’améliorer la conductivité du matériau en lui apportant artificiellement et de façon contrôlée des charges libres. Un semiconducteur non dopé est dit intrinsèque Un semiconducteur dopé est dit extrinsèque Semiconducteur dopé N Semiconducteur dopé P La jonction PN Que se passe t-il si l’on met en contact du Silicium dopé N et du Silicium dopé P ? Matériau N Matériau P + + + - - - + + + - - - Création d’une jonction PN La jonction PN au niveau atomique Que se passe t'il au niveau de la jonction ? + + - - + + - - + + - - + + - - Diffusion simultanée : •des e- de N vers P •des trous de P vers N Création d’une Zone de Charge d’Espace La jonction PN au niveau atomique La ZCE grandit elle sur toute la jonction ? F=-qE + + - - + + - - + + E - - + + V - - F=qE La taille de la ZCE devient stable Création d'un champ E et d'une barrière de potentiel définie par la relation E=-dV/dx La jonction PN au niveau atomique On polarise la jonction en direct et on fait varier la tension + + - - + + - - + + - - + + - - - 0 V – 0.5 V + une tension faible (< 0.5 V), rien Pour ne se passe Pour Vpol > 0.6v, il y a conduction Pourquoi ? Polarisation directe La jonction PN au niveau atomique Pour une tension de polarisation inférieure à 0.6 V + + - - + + - - + + - - + + - - - V+ddp 0 V – 0.5 V + barrière de potentiel ( V + ddp ) La diminue sous l’action de la polarisation directe. A V = 0.6 Volts, elle s’annule Polarisation directe La jonction PN au niveau atomique Pour une tension de polarisation supérieure à 0.6 V + + - - + + - - + + - - + + - - - > = 0.6 V + barrière de potentiel est vaincue, La il y a redémarrage de la diffusion et donc de la conduction Polarisation directe La jonction PN au niveau atomique On polarise la jonction en inverse + + - - + + - - + + - - + + - - - V+ddp + barrière de potentiel augmente La Elargissement de la Zone de d’Espace Polarisation inverse Charge La jonction PN au niveau atomique On augmente encore la tension de polarisation inverse + + - - + + - - + + - - + + - - + - 1 - Libération des porteurs minoritaires : effet zener 2 - Les porteurs libèrent par choc d’autres porteurs : effet d’avalanche Polarisation inverse 3 - Rupture des liaisons covalentes Caractéristique de la jonction PN I Conduction Bloquée Claquage: Zéner, avalanche V Seuil 0,6 v Transistor bipolaire Un transistor bipolaire comporte 3 couches de silicium disposées en sandwich dans l’ordre PNP ou NPN Matériau N Matériau N Matériau P + + + - - + + + + + + - - + + + Création de 2 jonctions PN Le Transistor bipolaire + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + ZCE Base ZCE Surprise : La jonction BC polarisée en inverse conduit le courant !!! Collecteur Emetteur Transistor bipolaire NPN au niveau atomique Fonctionnement du bipolaire On polarise la jonction BE en direct et BC en inverse Emetteur Base Collecteur + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + 0,6v Plusieurs volts Effet transistor Les électrons injectés traversent la jonction BC Emetteur Ie Base Collecteur + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + Ic Au niveau de la base Recombinaison de certaines paires électrons - trous Emetteur Base Collecteur + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + Ib Au niveau de la base Courant de trous de la base vers l’émetteur Emetteur Base Collecteur + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + + + + - - - - + + + Ib En résumé e- diffusants e- se recombinant dans la base trous injectés Base e- collectés Collecteur Émetteur e- injectés Caractéristique du bipolaire Ic (mA) Vcb constant Ib constant Ib (µA) Vce (V) Vce constant Ib constant Vbe (V) Propriétés technologiques Base fine pour éviter les recombinaisons Base faiblement dopée pour limiter le courant de trous Emetteur fortement dopé pour favoriser l’effet transistor Propriétés électriques Composant contrôlé par le courant de base : Ic = f(Ib) Composant utilisant minoritaires les porteurs majoritaires et Composant utilisant la jonction BC en inverse pour accélérer les électrons majoritaires de l’emetteur Le transistor à effet de champ Principe : Contrôle du courant dans un semiconducteur à l’aide de 2 tensions Modifier la section: JFET 1 S G q.nd µe R L Modifier la densité de porteurs: MOSFET L’effet de champ se manifeste par le pincement du canal conducteur et la limitation de la vitesse des porteurs Le transistor à effet de champ Structure d’un jfet (Junction Field Effet Transistor) Grille P Source N Électrode par laquelle les porteurs majoritaires entrent dans le canal P Jfet à Canal N Électrode de commande du courant Id Drain Électrode par laquelle les porteurs majoritaires quittent le canal Le transistor à effet de champ Composant contrôlé par la tension de grille Composant utilisant uniquement les porteurs majoritaires Les porteurs majoritaires ne traversent aucune jonction Fonctionnement Conditions normales de fonctionnement : Vgs < 0 et Vds > 0 Drain P Source N P N Grille Vgs < 0 Vds > 0 Cas n°0 : Vgs = 0 et Vds = 0 En l’absence de polarisation, création des 2 ZCE Grille P Vgs = 0 Zce V V Drain Source Zce Vds = 0 N P V V Faisons varier Vds Cas n°1 : Vgs = 0 et Vds > 0 Polarisation inverse plus forte du côté drain Grille Rajout de Vdg P Vgs = 0 Zce V Source V Drain Vdg Zce Vds > 0 N P V V Cas n°1 : Vgs = 0 et Vds > 0 Polarisation inverse plus forte du côté drain Grille Rajout de Vdg P Vgs = 0 Zce V V Drain Source Zce Vds > 0 N P V V Elargissement de la ZCE du côté du drain Cas n°1 : Vgs = 0 et Vds > 0 Polarisation inverse plus forte du côté drain Grille Rajout de Vdg P Vgs = 0 Zce V V Drain Source Zce Vds > 0 N P V V Id Elargissement de la ZCE du côté du drain Fonctionnement en zone ohmique Id = f(Vds) Cas n°1 : Vgs = 0 et Vds > 0 Fonctionnement en zone ohmique Id (mA) Vgs = 0 Vds (V) La pente de la courbe dépend : •du dopage du canal, •de la longueur du canal, •de la section du canal. Que se passe t’il si on augmente Vds ? Cas n°2 : Vgs = 0 et Vds = Vp Pincement du canal au niveau du drain Grille Fonctionnement en Zone de P Vgs = 0 pincement Zce Drain Source Zce Vds = Vp N P Id Id tend à se stabiliser Cas n°2 : Vgs = 0 et Vds = Vp Fonctionnement en zone de pincement Id (mA) Vgs = 0 Vds (V) Id tend : •à augmenter car Vds est grand, •à diminuer à cause de l’étranglement qui freine le passage des électrons. Que se passe t’il si on augmente encore Vds ? Cas n°3 : Vgs = 0 et Vds > Vp Etranglement du canal au niveau du drain Grille Fonctionnement en Zone de P Vgs = 0 saturation Zce Drain Source Zce Vds > Vp N P Id Id devient constant Cas n°3 : Vgs = 0 et Vds > Vp Fonctionnement en zone de saturation Id (mA) Id est constant car il existe un canal minimal laissant passer Vgs = 0 Vds (V) les porteurs Que se passe t’il si on fait varier Vgs ? Cas n°4 : Vgs < 0 et Vds >= 0 Vgs influence la taille du canal indépendamment de Vds Grille Vgs = 0 V P Vgs < 0 Zce Drain Source Zce Vds > 0 N P Vgs = -0.5 V Cas n°4 : Vgs < 0 et Vds >= 0 Vgs influence la taille du canal indépendamment de Vds Grille Vgs = 0 V P Vgs < 0 Zce Drain Source Vgs = -0.5 V Zce Vds > 0 N P Vgs = -1 V Cas n°4 : Vgs < 0 et Vds > 0 Accentuation de l’effet de pincement Id (mA) Vgs = 0 V Vgs = -0.5 V Vgs = -1 V Vds (V) La valeur de Vgs < 0 influence directement le pincement du canal et le phénomène de saturation de Id Le transistor MOS Le Transistor MOS (Metal Oxyde Semiconductor) est un transistor à effet de Champ : Composant contrôlé par la tension de grille, Composant utilisant les porteurs majoritaires. La variation du courant Id s’effectue en faisant varier le nombre de porteurs dans le canal et non la surface On distingue 2 grandes familles : MOS à enrichissement, MOS à appauvrissement. Le MOS à enrichissement Structure d’un MOS à enrichissement à canal N Grille Source Drain Isolant N+ P N+ Le MOS à appauvrissement Structure d’un MOS à appauvrissement à canal N Grille Source Drain Isolant N N+ P N+ Fonctionnement d’un NMOS Conditions normales de fonctionnement : Vgs > 0 et Vds > 0 Vgs > 0 Source N+ P Grille Isolant N+ Drain Vds > 0 Fonctionnement d’un NMOS Accumulation de charges positives sur la grille Vgs > 0 Source N+ P Grille Isolant N+ Drain Vds > 0 Fonctionnement d’un NMOS Création d’un champ électrique E sur la capacité MOS Grille Vgs > 0 Source Isolant E N+ P N+ Drain Vds > 0 Fonctionnement d’un NMOS Trous majoritaires du substrat repoussés Grille Vgs > 0 Source Isolant E N+ P N+ Drain Vds > 0 Fonctionnement d’un NMOS Electrons minoritaires du substrat attirés vers la grille Grille Vgs > 0 Source Isolant E N+ P N+ Drain Vds > 0 Fonctionnement d’un NMOS Création d’un canal de type N sous l’isolant (couche d’inversion) Grille Vgs > 0 Source Id Isolant E N+ P Drain Vds > 0 N+ Caractéristiques Caractéristiques similaires à celle d’un transistor JFET Id (mA) Vgs = 8 V Vgs = 6 V Vgs = 2 V Vds (V) La valeur de Vgs > 0 influence directement la densité de porteurs minoritaires attirés sous la capacité MOS La valeur de Vds > 0 influence directement la valeur du champ E et donc de la saturation de Id Cas du MOS à appauvrissement Pour Vgs = 0, existence du canal N entre la source et le drain Id (mA) Vgs = 4 V Vgs = 2 V Vgs = 0 V Vgs = -2 V Vgs = -4 V Vds (V) L’existence du canal garantit une conduction du transistor pour des valeurs négatives et positives de Vgs