Technologie des composants électroniques

Report
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

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