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18/10/2004 1

Module PH112 (6 ECTS)lectronique Analogique et lectronique Numrique

Responsable : Mr DJEBBOUR

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lectronique Analogique

Jonction PN (rappels)

Transistor bipolaire (grand signal)

Polarisation du transistor

Transistor bipolaire (petit signal)

Amplificateurs transistor bipolaire (structure simple) Amplificateurs transistor bipolaire (structure

diffrentielle)

Oscillateurs

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Jonction PN (Rappels)

Semi-conducteurslments IV du tableau de Mendeleev

+14+14

Atome de Silicium

Cur (+4)

4 lectrons dans la

couche extrieure

(couche de valence)

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lments IV du tableau de Mendeleev

+32 +32

Atome de Germanium

Cur (+4)

4 lectrons dans la

couche extrieure

(couche de valence)

emi-conducteurs

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emi-conducteurs intrinsques T = 0 K

Cur

Si

Cur

Si

Cur

Si

Cur

Si

Cur

Si

Si

Si

Si SiSi

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Matriau Silicium intrinsque latemprature 0 Kelvin : Absence deconduction lectrique car tous les

lectrons de valence sont engagsdans des liaisons covalentes. Lematriau silicium est isolant pourcette temprature thorique . [Si]

de lordre de 1022 cm-3.

lectron de valence,engag dans uneliaison

T = 0 kelvin

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Fonctionnement dune jonction PN

+

-

+

-

Ions positifs : Nd

Ions ngatifs : Na

Trous :p

lectrons : n

Chargesfixes

Chargesmobiles

Semi-conducteur P Semi-conducteur N

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

+

+

+

+

+

+

+

+

- - - -

- - - -

+ + + + - - - -

+

+

+

-

-

-

Mise en contact de deux rgions de dopage diffrents

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Jonction PN lquilibre

Zone P Zone N

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

++

++ +

-

- -

- - -

+ + + - - -

+

Courant de

diffusion

Courant deconduction

Zone de dpltion

: Densit de chargeqNa

-qNd

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- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

+

+

+

+ +

-

- -

- - -

+ + + - - -

+

Champ et potentiel lquilibre

Potentiel

Champ lectrique

Barrire de potentiel

0

-q0

Wdp

0

112

+=

DA

sdp

NNqW

quationdePoisson

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Jonction PN (Rappels)Champ et potentiel hors quilibre (Polarisation inverse)

Potentiel

Champ lectrique

0- V

( )VNNq

WDA

sdp

+= 0

112

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

+

+

+

+

- -

- -

+ + - -

Wdp

V

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Jonction PN (Rappels)Champ et potentiel hors quilibre (Polarisation directe)

Potentiel

Champ lectrique

Wdp

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

- +- - - - + + + +

+

+

+

+ +

- - -

- - -

+ + + - - -

+

+

+

+ -

-

-

V

0- V

( )VNNq

WDA

sdp

+= 0

112

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Jonction PN (Rappels)I

V

Polarisation directePolarisation inverseClaquage

= 1exp

TS

UVII IS : Courant de saturation inverse

-VZ

q

TkU BT = : Tension thermodynamique

avec kB, la constante de Boltzmann

T, la temprature absolue (K)

q, la charge lmentaire

Caractristique I(V)

V

A KI

VZ

I

Vseuil

Sous polarisation directe, la jonction PN ne commence effectivement conduirequ partir dune tension seuil (Vseuil). Cette tension est de lordre de 0,6 0,7 volt

pour une jonction PN silicium.

J i PN (R l )

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Phnomnes capacitifs


Capacit de transitionLa jonction PN agit comme un condensateur, avec des charges positives,ct P et ngatives ct N, de part et dautre de la zone de dpltion.

0

0

1V

CC ii

+

= : cas dune jonction abrupte

mi

i

V

CC

+

=

0

0

1

: cas dune jonction graduelle. 1/3

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Transistor bipolaire

Comportement grand signal

Fonctionnement en mode normal direct et inverseIl existe deux types de transistors bipolaires : le NPN et le PNP. Pour traiterdu principe de fonctionnement et de lutilisation, il suffit de ne considrer quele NPN. Les quations rgissant le PNP se dduisent de celles du NPN en

remplaant Vbe parVeb.

Vcb

-

-+

+

++++

++++---

---

-

-

+ +

+ +- -

- -

+

+-

-

Vbe

metteur n Collecteur nBase p

lectrons injects lectrons collects

ICIE

IB

lectrons recombinsdans la base

Mode normal direct :

Vbe > Vbe seuil

Vbc< 0

T i t bi l i

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Rgime normal de fonctionnement du transistor (i.e. mode normal direct) :

Le courant IC dans le collecteur est un courant de porteurs minoritaires

dans la base, provenant de lmetteur. Une grande partie des minoritaires diffusent dans la base et la zone

dplte de la jonction base-collecteur, grce au champ lectriqueintense de cette rgion.

=

T

beSCUVII exp

Courant du collecteur

IC

IE

IB

Vbc

Vbe

NPN

B

E

CIC

IE

IB

Vbc

Vbe

PNP

B

E

C

T i t bi l i

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Toujours en rgime normal de fonctionnement du transistor :

Une partie des lectrons injects par lmetteur dans la base, estrecombine avec une partie des trous de la base.

Le circuit extrieur doit fournir assez de trous la base pour compenserce dficit.

Le courant de base est trs faible, compar celui du collecteur.

Courant de base (notion de gain en courant)

==

T

be

F

S

F

CBUVIII exp

F

, correspond au gain en courant. Cest un paramtre grand signal. Lindice(Forward) indique que lon est bien en mode normal direct (Vbe > 0et Vbc< 0).

F est de lordre de 100 500 pour les transistors BF, et de 80 100 pour letransistors RF.


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20

40

60

80

100

120

140

160

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Beta

IC(mA)

-55 C

25 C

75 C

volution du bta avec le courant collecteur et la temprature pourun transistor RF.


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Courant de lmetteurLe courant de lmetteurIE sobtient en additionnant les deux courants de baseet du collecteur :

F

CC

FBCE

IIIII

=

+=+=

11

Le coefficient de transfert F est proche de 1 par dfaut, pour un F trs granddevant 1.Modle grand signal en zone normale active

Zone active, signifie que la jonction polarise en direct est passante (V > Vseuil).

T

be

F

S

U

VIexp

T

be

S U

V

I exp

B

E

C


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Transistor bipolaireMode normal inverse

En mode normal inverse, la jonction base-metteur est polarise en inverse et la jonction base-collecteur est polarise en direct. Le transistor bipolaire nest pasoptimis pour fonctionner dans ce mode. Le taux de dopage tant en effet plusfort ct metteur que ct base, pour favoriser linjection des porteurs de chargedans un seul sens, le sens direct, de lmetteur vers le collecteur.

Le mode inverse a son propre gain en courant R ( 0,02 < R < 1 ) et sonpropre coefficient de transfert R ( 0,02 < R < 0,5). Lindice R indique le modeinverse (Reverse).

B

ER

I

I=

C

ER

I

I=


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Vcb> Vcb seuil, Veb < 0Veb> Veb seuil, Vcb < 0

PNP

Vbc> Vbc seuil, Vbe < 0Vbe> Vbe seuil, Vbc< 0

NPN

Mode normal inverse actifMode normal direct actif

T

be

F

S

U

VIexp

T

beS

U

VI exp

B

E

C

B

E

C

T

eb

F

S

U

VIexp

T

ebS

UVI exp

T

bc

R

S

U

VIexp

T

bcS

U

VI exp

B E

C

T

cb

R

S

U

VIexp

T

cbS

U

VI exp

B E

C


Rsum des diffrents modes normaux en rgime grand signal


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Modle de Gummel-PoonTransistor bipolaire

= 1T

bc

U

V

R

SDC eII

B

C

E

= 1T

be

U

V

F

S

DE e

I

I

DCRDEF II

Ce modle plus gnral,regroupe les modles grand signal, direct et inverse.

En mode direct ( Vbe > 0et Vbc < 0), le courant IDE est ngligeable devant IDC,ce qui permet de retrouver le modle de ce mode. Par contre, lorsque Vbe < 0et Vbc > 0, IDC devient ngligeable son tour devant IDE, ce qui permetretrouver le modle du mode inverse.


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Rseau de caractristiques

IC

IB Vce (Vec)

Vbe (Veb)

AV

A

V

RBRC

ECEB

IB = Cte

IB = Cte

Vce= Cte

Vce= Cte

Sens des IB croissants


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Droites dattaque et de charge

RB

RC

ECEB

IB

IC

Vbe

Vce

Ces droites sont donnes par la loi des mailles applique aux maillesdentre (droite dattaque reliant IB Vbe) et de sortie (droite de chargereliant IC Vce) dun montage de polarisation de transistor.

B

beBB

R

VEI

=

Exemple

BBbeB IRVE += : Droite dattaque.

C

ceCC

R

VEI

=CCceC IRVE += : Droite de charge.


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Point de polarisation


Le point de polarisation est un point particulier du rseau de caractristiquesdu transistor. Une fois la source de polarisation est choisie, avec le jeu de

rsistances de protection du transistor, celui-ci est travers par des courantsfixes IC0 et IB0, avec entre ses bornes des tensions imposes Vce0 et Vbe0.Cest lensemble des points (IB0, Vbe0) et (IC0, Vce0) qui constitue le point depolarisation du transistor. Il peut sobtenir par plusieurs mthodes :

La mthode graphique utilisant le rseau de caractristiques et lesdroites dattaque et de charge.

La mthode analytique approche.


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Transistor bipolairePoint de polarisation (mthode graphique)

RB

RC

ECEB

IB

IC

Vbe

VceB

beBB

RVEI = : Droite dattaque.

C

ceCC

R

VEI

= : Droite de charge.

IC

IB Vce

Vbe

IC0

IB0

IB0

Vce0Vbe0

B

B

R

E

C

C

R

E

EC

EB


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Transistor bipolairePoint de polarisation (mthode analytique approche)

En remarquant quen zone normale active, la tension Vbe est voisine de la tensionseuil Vbe seuil, on peut procder comme suit :

on pose Vbe0= Vbe seuil;

on calcule IB0 partir de la droite dattaque ;

connaissant le F (quon pose dornavant ), on calcule IC0 partir de larelation transistor ;

on dtermine finalement Vce0, partir de la droite dattaque.

Exemple

RBRC

ECEB

IB

IC

VbeVce

seuilbebe VV =0B

seuilbeBB

R

VEI

=0

B

seuilbeBBCR

VEII

==

00B

seuibeBCCCCCceR

VEREIREV

==

00


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pRelations rigoureuses entre courants

IC

= IB

est une relation approche. En effet, lorsque la base est en lair, le courantde base est rigoureusement nul, ce qui nest pas le cas de IC :

IB = 0

IC= ICE0

La relation rigoureuse est donc :IC= IB +ICE0

Il en est de mme pour IC= IE. En effet, lorsque lmetteur est en lair, le courantdmetteur est rigoureusement nul, ce qui nest pas le cas de IC :

IE= 0

IC= ICB0

La relation rigoureuse est donc :IC= IE+ICB0


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pRelations rigoureuses entre courants

ICB0est le courant de saturation inverse de la jonction base-collecteur polarise en

inverse. Il dpend fortement de la temprature et peut ainsi perturber lapolarisation optimale dun montage transistor. Il existe une relation entre ICB0estICE0:

( ) 00 CBBCCBEC IIIIII ++=+= ( ) 01 CBBC III +=

( ) ( )

+= 110CB

BC

I

II

( ) 01 CBBC III ++=

On trouve alors : ICE0 = (+ 1)ICB0.

Ces relations rigoureuses ne sont utilises que dans ltude du comportementhermique des montages transistor. On peut sen passer dans un premie

temps, lorsquil sagit de polariser par exemple de tels montages.


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pRgime de commutation

Ce rgime est exploit en lectronique numrique (technologie TTL). Lopration

consiste en la commutation du transistor entre deux tats : le blocage et lasaturation.

tat de blocage

Lorsque lon fait tendre EB vers 0,IB tend vers 0. IC tend son tourvers 0 (IC = IB). Comme IE = IC +IB, IE tend aussi vers 0. Le

courant dans la maille de sortieest pratiquement nul (IE = IC = ICE0= (+1)ICB0. On considre enpremire approximation que le

transistor reprsente un circuitouvert entre lmetteur et lecollecteur. La tension entre cesdeux bornes dpend du montage.

Elle vaut EC ici.

Maille dentre

Maille de sortie

RBRC

ECEB

IB

IC

VbeVceIE

IC

IB

Vce

Vbe

B

B

R

E

C

C

R

E

EC

EB

Zone de blocage :

IC = ( + 1)ICB0VCE = EC RC( + 1)ICB0

Transistor bipolaireZ d t ti

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tat de saturation

Lorsque lon fait crotre EB, IB croit son tour, suivi par IC (IC = IB)jusqu une certaine limite IC max :

Maille dentreMaille de sortieRBRC

ECEB

IB

IC

VbeVce

IE

Rgime de commutation

IC

IB Vce

Vbe

B

B

R

E

C

C

RE

EC

EB

Zone de saturation :

C

satceCsatCC

R

VEII

==

satcece VV =

CCC

R

EI =max

Pour cette valeur de IC, Vcedevient nul daprs la loi desmailles. En ralit, V

ceatteint une

valeur de saturation Vce sat.La relation transistor nest plusvalable et le courant collecteurdoit vrifier dans cet tat desaturation la relation :

IC max< IBDans le cas du transistor siliciumen saturation, on a Vbe sat 0,8

volt et Vce sat 0,2 volt.


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Rgime de commutationOn peut conclure sur le rgime de commutation en considrant le transistor

bipolaire comme une sorte dinterrupteur command par le courant de base. Altat de blocage, le transistor est un circuit ouvert entre la borne dmetteur etcelle du collecteur et ltat de saturation, le transistor est un court-circuit entrelesdites bornes.

RBRC

EC

IB=0

IC=ICE0

Vce

RBRC

EC

EB

IB>IC max

IC=I

C sat

Vbe sat

Vce sat

Blocage

Saturation

Cas rel Cas idalC

E

ICE0

C

E

C

E

IC sat

Vce sat

C

E

IC max

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