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IV. La Jonction. Jonction PN, diodes et transistors

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IV. La Jonction. Jonction PN, diodes et transistors

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1. Le premier composant électronique : la diode

A. La jonction

Equivalent à un interrupteur

fermé

Equivalent à un interrupteur

ouvert

+ + - -

Tension U “directe”

(dans le bon sens)

Tension U “indirecte”

(dans le mauvais sens) & U < UT U > UT ou

a. Représentation schématique

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b. Caractéristiques

C’est une fonction exponentielle de la tension appliquée aux bornes de la diode.

Pour simplifier, si U > UT, le courant passe; sinon, il ne passe pas.

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2. Comment fonctionne la diode ? La Jonction PN

Soit 2 « portions » de Si dopées P et dopées N. Si ces 2 portions sont jointes l’une à l’autre

Il y a diffusion des h+ (très concentrés à gauche) vers la droite

et diffusion des e- (très concentrés à droite) vers la gauche

Mais les atomes, eux, sont fixes se créent des zones chargées – et +

La réunon de ces deux zones s’appelle la zone de « charges d’espace, ZCE », de largeur W0

Il se crée, dans cette ZCE, un champ électrique, dirigé de + vers -

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a. La jonction PN en court-circuit :

E

W0 (largeur de la ZCE)

E (champ électrique) + -

?

Que se passe-t-il, en terme d’énergie, dans la ZCE ?

EFp

EFn

EFi EFi

BC BC

BV BV

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a. La jonction PN en court-circuit :

les 2 niveaux de Fermi (EFp et EFn)

s’égalisent.

W0 (largeur de la ZCE)

E (champ électrique) + -

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a. La jonction PN en court-circuit :

La zone p “monte” tandis que la zone n “descend”

E

E (champ électrique) + -

EFi

EFi

EFp

EFi

BC

BV

EFn

EFi

BC

BV

W0 (largeur de la ZCE)

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E

Les deux parties (P et N) ne sont plus à la même énergie potentielle.

La zone N est tjrs + basse en énergie que la zone P.

L’écart dépend des dopages respectifs.

On établira les relations entre ΔE, Vφ, n et p en TD

Vφ = ΔE / q (Vφ = V+ - V-, potentiel de jonction)

+ -

EFi

EFi

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Il y a alors 2 phénomènes :

1- Un courant dû aux porteurs

majoritaires

IM (les e- d’énergie > Ec sautent,

ainsi que les h+ d’énergie < Ev)

2- Un courant dû aux porteurs

minoritaires entraînés par le

champ électrique

Im

La présence d’un champ

implique une différence de

potentiel, nommée Vdonc

une barrière d’énergie qV

Ces 2 courants se

compensent. A l’équilibre,

It =IM + Im = 0

IM = I0 exp (- ) avec UT = kT/e V

UT

Courant dû aux porteurs minoritaires entraînés par le champ E

Détails des courants :

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b. La jonction PN en polarisation inverse :

Revient à imposer un potentiel Vinv + à droite, et – à gauche (donc un champ Einv)

Dans ces conditions,

l’énergie à droite va

descendre de eVinv

On défavorise le

courant des porteurs

majoritaires : IM = 0

Par contre, on favorise le

courant de dérive,

puisque

E = E0 + Einv.

Mais I est très faible, car

la concentration des

porteurs minoritaires est

limitée

par leur arrivée par

génération thermique.

Im+IS = 0 (limité par IS)

IS = AT3 exp (- ) (IS prop. à ni2)

Eg

kT

Courant inverse de

saturation

e(VФ+Vinv)

e(VФ+Vinv)

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Revient à imposer un potentiel Vdirect - à droite, et + à gauche (donc un champ Edirect)

Cette fois-ci, l’action du

champ renforce la

polarisation interne.

La barrière de potentiel

est bcp. + basse. De

nbx. porteurs

majoritaires passent

dans « le camp adverse

».

Dans ce cas, ils se

recombinent

immédiatement. Cette

recombinaison

consomme les porteurs.

Il y a alors diffusion,

pour compenser cette

consommation.

Id =IS exp (- ) -1 avec UT = kT/e Vdirect

UT

Courant direct

passant

Id

e(VФ-Vdirect)

e(VФ-Vdirect)

c. La jonction PN en polarisation directe :

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NPN : correspond à la juxtaposition de 2 jonctions PN, tête-bêche

1. Double jonction NPN : le transistor bipolaire

B. Les transistors

a. Représentation schématique

VBC

VBE

IC

IE

IB

Collecteur

Emetteur

Base

Collecteur dopé n

Base dopée p

Emetteur dopé n++

Schéma “physique” Schéma “électronique”

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Ex : jonction BE directe (VBE >0), et jonction BC inverse (VBC < 0 ou VCB > 0)

VBC

VBE

IC

IE IB

Collecteur dopé n

Base dopée p

Emetteur dopé n++

b. Fonctionnement

Dans ce cas : du courant rentre dans le collecteur et dans la base, et ressort

par l’émetteur.

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(base – collecteur)

Ex : jonction BE directe (VBE >0), et jonction BC inverse (VBC < 0 ou VCB > 0)

c. Explications énergétiques

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Le courant au collecteur IC provient des électrons qui ont

traversé la base sans se faire recombiner.

Le courant à l’émetteur IE provient des électrons injectés dans la

base.

Ainsi, IC < IE puisque une partie est recombinée en passant dans

la base.

S’ajoute le courant venant de la base I S BC

On peut alors écrire :

d. Approche calculatoire

VBC IC

IE

IB

Collecteur

Emetteur

Base

VBE

IE = IC + IB

Donc, IE = IE + IS BC + IB

IE = IE + IB si on néglige IS BC (très faible)

IE (-1) = IB

IE = 1/ (-1) IB

Soit IE = IB avec = 1/ (-1)

Puisque est proche de 1,

est grand (100 ou 1000)

Le transistor amplifie donc le courant de base d’un facteur , dans l’émetteur. La base pilote l’émetteur.

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e. Configuration PNP

VEB

VCB

IC

IE

IB

Emetteur

Collecteur

Base

Collecteur dopé p

Base dopée n

Emetteur dopé p++

Ex : jonction BE inverse (VBE <0), et jonction BC directe (VCB < 0)

Dans ce cas : du courant rentre dans l’émetteur, et ressort par la base et

par le collecteur.

Le PNP est strictement inverse au NPN.

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Les transistors bipolaires (NPN et PNP) sont aujourd’hui peu utilisés.

- Trops gros

- Trops lents (met en jeu 2 types de porteurs : les e- et h+)

- Trops chers

On leur préfère maintenant les transistors unipolaires (FET)

FET = Field Effect Transistor (ne met en jeu qu’1 seul type de porteur,

n ou p)

f. Leurs inconvénients et leur remplaçant

Il existe de nbx. types de FET. Le + répandu : le MIS (Metal-Insulator-Semicon)

En techno Si : MOS (Metal – Oxide – Semicon)

Oxyde : SiO2 (oxyde de silicium / silicon oxide

(gap SiO2 vers 9 eV : très bon isolant)

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Autrement appelé : transistor à effet de champ

pMOS nMOS

2. Le transistor unipolaire (FET)

Drain

Gate

Source

(grille)

Body

Drain

Gate

Source

(grille)

Body

(substrat) (substrat)

A noter : le pMOS est sur substrat n / le nMOS sur substrat p

a. Représentation “physique”

pMOS : MOS à canal p / nMOS : MOS à canal n

Voir le fonctionnement ci-après

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pMOS nMOS

Drain

Gate

Source

(grille)

Body

Drain

Gate

Source

(grille)

Body

(substrat) (substrat)

Comment faire pour que Source et Body, ou Drain et Body,

ne soient pas en court-circuit ??

B S B

D B

D

B S

VSB = 0

VDB < 0

VDB > 0

VSB = 0

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b. Représentation schématique

pMOS (pFET) nMOS (nFET)

Les représentations d’un pMOS et d’un nMOS ne diffèrent que pas la présence

d’un “petit rond” au niveau de la Grille.

Mais attention, leur fonctionnement est strictement inversé.

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c. Fonctionnement

Représentation par les charges piégées (exemple d’un pMOS (pFET))

Si N

p+ p+

Isolant SiO2

Métal (Al)

Source Drain

VG = 0 (masse)

VS à la masse VD < 0

Si N

p+ p+

Isolant SiO2

Métal (Al)

Source Drain

VG < 0 VS à la masse

VD < 0

La diode P+N source-substrat est

polarisée en inverse pas de courant Zone peuplée P par inversion

Etat ON

Etat OFF

VB

à la masse

- S + D

- S + D i

++++++++

- - - - - - - - -

E

Le courant circule de S vers D

+ D - S + D - S

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A partir du schéma énergétique :

Evide

E vide

E vide

Ef

E f

E f

E(m)f

E(m)f

E(m)f

Ev

Ec

E v

E v

E c

E c

Métal

(Al)

Métal

(Al)

Métal

(Al)

Si N

Si N

Si N

Iso

lan

t S

iO2

Iso

lan

t S

iO2

Iso

lan

t S

iO2

Sans polarisation, aucun phénomène particulier.

Mais, si on applique une tension Va entre le métal et le

semiconducteur, les bandes vont bouger.

(ici, on maintient le métal à la masse, et on applique une

tension positive sur le silicium)

On applique + Va

eVa

eVa

ion +

électron

trou Si on augmente la polarisation,

Il se crée une inversion

(trous dans la BV puisque Ef < EV)

sorte de dopage P dans du Si N

E

E

Notion de courbure de bande

Représentation énergétique

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Les deux “représentations théoriques” conduisent aux mêmes effets :

(exemple d’un pMOS)

Si N

p+ p+

Isolant SiO2

Métal (Al)

Source Drain

VG = 0 (masse)

VS à la masse VD < 0

Si N

p+ p+

Isolant SiO2

Métal (Al)

Source Drain

VG < 0 VS à la masse

VD < 0

La diode P+N source-substrat est

polarisée en inverse pas de courant Zone peuplée P par inversion

Etat ON

Etat OFF

VB

à la masse

- S + D

- S + D i

++++++++

- - - - - - - - -

E

Le courant circule de S vers D

+ D - S + D - S

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Prenons maintenant l’exemple d’un nMOS (nFET)

Si P

n+ n+

Isolant SiO2

Métal (Al)

Source Drain

VG = 0 (masse)

VS à la masse VD > 0

Si P

n+ n+

Isolant SiO2

Métal (Al)

Source Drain

VG > 0 VS à la masse

VD > 0

La diode P+N source-substrat est

polarisée en inverse pas de courant Zone peuplée N par inversion

Etat ON

Etat OFF

VB

à la masse

- S + D

- S + D i

++++++++

- - - - - - - - -

E

Le courant circule de D vers S

+ D - S + D - S

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Etat OFF - S + D

Etat ON

- S + D i

Le courant circule de S vers D

VG = 0

VG < 0

Pour un nMOS (nFET)

Pour un pMOS (pFET)

Etat ON

Etat OFF - S + D

- S + D i

Le courant circule de D vers S

VG = 0 VG > 0

Pour résumer :

Type Grille Etat

nMOS VG = 0 ou < 0 Off

VG > 0 On

pMOS VG = 0 ou > 0 Off

VG < 0 On

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d. Exemple d’application : portes logiques

Cas le plus simple : l’inverseur logique

V+

V-

E S

pMOS

nMOS

Entrée (Input) Sortie (Output)

E = 0 (VE = V-) S = 1 (VS = V+)

E = 1 (VE = V+) S = 0 (VS = V-)

V+ : alimentation positive (V+ > 0)

V- : alimentation négative (V- < 0)

Type Grille Etat

nMOS VG = 0 ou < 0 Off

VG > 0 On

pMOS VG = 0 ou > 0 Off

VG < 0 On

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Type Grille Etat

nMOS VG = 0 ou < 0 Off

VG > 0 On

pMOS VG = 0 ou > 0 Off

VG < 0 On

Entrée (Input) Sortie (Output)

E = 0 (VE = V-) S = 1 (VS = V+)

E = 1 (VE = V+) S = 0 (VS = V-)

V+

V-

E S

pMOS

nMOS

V+

V-

S

pMOS

nMOS

si VE=V+

VS=V-

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Type Grille Etat

nMOS VG = 0 ou < 0 Off

VG > 0 On

pMOS VG = 0 ou > 0 Off

VG < 0 On

Entrée (Input) Sortie (Output)

E = 0 (VE = V-) S = 1 (VS = V+)

E = 1 (VE = V+) S = 0 (VS = V-)

V+

V-

E S

pMOS

nMOS

V+

V-

S

pMOS

nMOS

si VE=V-

VS=V+

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La porte NAND

La porte AND

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Dans les circuits utilisant la techno. MOS, il y a combinaison de

nMOS et pMOS

Technologie C-MOS (C : complementary)

e. Intégration

Cette techno. permet d’utiliser 1 même Body pour les 2 types de transistors,

en les isolant les uns des autres par une jonction PN

On dope N (on diffuse un dopant N) sur une partie (qui constitue un caisson N

dans un substrat P). On a partout une jonction PN qui, polarisée en

court-circuit, sera bloquée.

On utilise ici un substrat Si P (pMOS)

On diffuse ensuite les S et D en P+ (+ car contact avec Al, dopant N …)

On diffuse ensuite la grille (qui sera enterrée dans le SiO2)

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A faire en exercice : avec un substrat Si N, construire un nMOS

Voir bouquin NGO

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En général, on relie la source à la masse, ainsi que le substrat. On porte le drain à un potentiel supérieur de ceux de la source et du

substrat, créant ainsi un champ électrostatique entre la source, le substrat et le drain.

Au repos, deux cas sont possibles :

Ou bien la capacité grille/substrat est flottante à vide : il n'y a quasiment pas de porteurs pour conduire un éventuel courant, les deux

jonctions source-substrat et substrat-drain sont polarisées en inverse ; dans ce cas, on parle d'un MOSFET à enrichissement ;

Ou bien la capacité grille/substrat est en inversion, ce qui signifie que des électrons du substrat sont attirés au voisinage de l'oxyde.

Ceux-ci constituent un afflux de porteurs minoritaires qui vont être disponible pour conduire le courant entre source et drain ; le

transistor est normalement conducteur, on parle de MOSFET à déplétion (ou à appauvrissement).

Dans les deux cas, le courant source-drain est modulé par la tension de grille. Dans le type à enrichissement, il faut appliquer une

tension positive à la grille pour amener la capacité grille-substrat en inversion : le transistor conduit à partir d'un certain seuil. Dans le

type à déplétion, le transistor est conducteur lorsque la grille est à la masse, il faut donc l'amener à une tension négative pour faire

cesser la conduction.

Lorsque le transistor conduit, une augmentation de la polarisation entre le drain et la source augmente le courant (non-linéairement). À

partir d'une tension de drain supérieure à la tension de grille moins la tension de seuil, le champ électrostatique entre le substrat et la

grille s'inverse localement au voisinage du drain. Le canal d'électrons y disparaît, le courant sature. Toute augmentation de la tension

de drain au-delà de la tension de saturation conduit à une disparition encore plus précoce du canal d'électrons, et à une augmentation

faible voire nulle du courant.

À tension source-drain constante, le courant de saturation varie comme le carré de la tension grille-substrat.

Zone linéaire

W : largeur du canal

L : longueur du canal

μ : mobilité des porteurs de charge (mobilité des électrons dans le cas d'un MOSFET à canal N)

Cox : capacité d'oxyde de grille

Ne pas faire cela en cours :

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On se souvient du 1er cours :

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4. LED (Light Emitting Diode)

On reprend le schéma de la jonction PN (diode)

E c

E c

E V

E V

E F

GaAs N GaAs P

E c

E c

E V

E V

Non polarisée

Polarisée dans

le sens passant

(tension Va)

eV0

e(V0 –Va)

eVa

+

+

Zone

riche en

trous Zone riche

en

électrons

Pas de passage

de charges

Les charges

passent et se

recombinent,

(recombinaison radiative si gap direct : GaAs) (voir cours gap)

E0

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5. Cellule photovoltaïque

On reprend le schéma de la jonction PN

E c

E c

E V

E V

E F

Si N Si P

Non éclairée

Non polarisée eV0

Pas de passage

de charges E0

E c

E c

E V

E V

e(V0 –Vf)

eVf

(voir cours gap)

Eclairée

polarisée

+ -

Ef

Excès de trous à gauche

Excès d’électrons à droite

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