un semiconducteur non dopé est dit intrinsèque
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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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
Notion de dopage
Que se passe t-il si l’on met en contact du Silicium dopé N et du Silicium dopé P ?
Création d’une jonction PN
La jonction PN
Matériau N
+
+
+
+
+
+
Matériau P
-
-
-
-
-
-
La jonction PN au niveau atomique
Création d’une Zone de Charge d’Espace
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
Diffusion simultanée :
•des e- de N vers P•des trous de P vers N
QUIZZ Que se passe t'il au niveau de la jonction ?
La jonction PN au niveau atomique
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
QUIZZ 2 La ZCE grandit elle sur toute la jonction ?
E
V
F=-qE F=qE
La jonction PN au niveau atomique
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
On polarise la jonction en direct et on fait varier la tension
0 V – 0.5 VPolarisation
directe+-
Pour une tension faible (< 0.5 V), rien ne se passe
Pour Vpol > 0.6v, il y a conduction
Pourquoi ?
La jonction PN au niveau atomique
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
Pour une tension de polarisation inférieure à 0.6 V
0 V – 0.5 VPolarisation
directe+-
La barrière de potentiel ( V + ddp ) diminue sous l’action de la polarisation directe.
V+ddp A V = 0.6 Volts, elle s’annule
La jonction PN au niveau atomique
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
Pour une tension de polarisation supérieure à 0.6 V
> = 0.6 VPolarisation
directe+-
La barrière de potentiel est vaincue, il y a redémarrage de la diffusion et donc de la conduction
La jonction PN au niveau atomique
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
On polarise la jonction en inverse
Polarisation inverse
+-
La barrière de potentiel augmente
Elargissement de la Zone de Charge d’Espace
V+ddp
-+
La jonction PN au niveau atomique
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
On augmente encore la tension de polarisation inverse
Polarisation inverse
1 - Libération des porteurs minoritaires : effet zener
2 - Les porteurs libèrent par choc d’autres porteurs : effet d’avalanche
3 - Rupture des liaisons covalentes
Seuil 0,6 v
Conduction
Bloquée
Claquage:Zéner, avalanche
V
I
Caractéristique de la jonction PN
Transistor bipolaire
Un transistor bipolaire comporte 3 couches de silicium disposées en sandwich dans l’ordre PNP ou NPN
Matériau N
+
+
+
+
+
+
Matériau P
-
-
-
-
Matériau N
+
+
+
+
+
+
Création de 2 jonctions PN
Base
Em
ett
eu
r
-
-
-
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
ZCE ZCE
Transistor bipolaire NPN au niveau atomique
Surprise : La jonction BC polarisée en inverse conduit le courant !!!
Le Transistor bipolaire
-
-
-
Colle
cteu
r
Emetteur
-
-
-
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Base Collecteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
Fonctionnement du bipolaire
On polarise la jonction BE en direct et BC en inverse
0,6vPlusieurs
volts
Emetteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Base Collecteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
Effet transistor
Les électrons injectés traversent la jonction BC
-
-
-
IcIe
Emetteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Base Collecteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
Au niveau de la base
Recombinaison de certaines paires électrons - trous
-
-
-
Ib
Emetteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Base Collecteur
+
+
+
+
+
+
-
-
-
Au niveau de la base
Courant de trous de la base vers l’émetteur
-
-
-
Ib
Base
Colle
cteu
r
Ém
ett
eur
e- injectés e- diffusants e- collectés
e- se recombinant dans la base
trous injectés
En résumé
Vce (V)
Ic (mA)
Caractéristique du bipolaire
Vbe (V)
Ib (µA)
Ib constant
Ib constant
Vcb constant
Vce constant
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 les porteurs majoritaires et minoritaires
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
L
Sµnq
RG ed.
1
Modifier la section: JFET
Modifier la densitéde porteurs: MOSFET
L’effet de champ se manifeste par le pincement du canal conducteur et la limitation de la vitesse des porteurs
N
Le transistor à effet de champ
Structure d’un jfet (Junction Field Effet Transistor)
Jfet à Canal N
P
P
Grille
SourceDrain
Électrode par laquelle les porteurs majoritaires entrent dans le canal
Électrode par laquelle les porteurs majoritaires quittent le canal
Électrode de commande du courant Id
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
GrilleN N
Fonctionnement
Conditions normales de fonctionnement :
Drain
Vds > 0
P
PSource
Vgs < 0
Vgs < 0
et Vds > 0
Source
N
Vgs = 0
Vds = 0
Drain
Cas n°0 : Vgs = 0 et Vds = 0
P
Grille
P
Zce
Zce
En l’absence de polarisation, création des 2 ZCE
Faisons varier Vds
V
V
V
V
Source
N
Vgs = 0
Vds > 0
Drain
Cas n°1 : Vgs = 0 et Vds > 0
P
Grille
P
Zce
Zce
Rajout de Vdg
V
V
V
V
Polarisation inverse plus forte du côté drain
Vdg
Source
N
Vgs = 0
Vds > 0
Drain
Cas n°1 : Vgs = 0 et Vds > 0
P
Grille
P
Zce
Zce
V
V
V
V
Polarisation inverse plus forte du côté drain
Elargissement de la ZCE du côté du drain
Rajout de Vdg
Source
N
Vgs = 0
Vds > 0
Drain
Cas n°1 : Vgs = 0 et Vds > 0
IdP
Grille
P
Zce
Zce
V
V
V
V
Polarisation inverse plus forte du côté drain
Fonctionnement en zone ohmique
Id = f(Vds)
Rajout de Vdg
Elargissement de la ZCE du côté du drain
Cas n°1 : Vgs = 0 et Vds > 0
Fonctionnement en zone ohmique
Vds (V)
Id (mA)
Vgs = 0La 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 ?
QUIZZ
Source
N
Vgs = 0
Vds = Vp
Drain
Cas n°2 : Vgs = 0 et Vds = Vp
IdP
Grille
P
Zce
Zce
Pincement du canal au niveau du drain
Fonctionnement en Zone de pincement
Id tend à se stabiliser
Cas n°2 : Vgs = 0 et Vds = Vp
Fonctionnement en zone de pincement
Vds (V)
Id (mA)
Vgs = 0
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 ?
QUIZZ
Source
N
Vgs = 0
Vds > Vp
Drain
Cas n°3 : Vgs = 0 et Vds > Vp
IdP
Grille
P
Zce
Zce
Etranglement du canal au niveau du drain
Fonctionnement en Zone de saturation
Id devient constant
Cas n°3 : Vgs = 0 et Vds > Vp
Fonctionnement en zone de saturation
Vds (V)
Id (mA)
Vgs = 0
Id est constant car il existe un canal minimal laissant passer les porteurs
Que se passe t’il si on fait varier Vgs ?QUIZZ
Source
N
Vgs < 0
Vds > 0
Drain
Cas n°4 : Vgs < 0 et Vds >= 0
P
Grille
P
Zce
Zce
Vgs influence la taille du canal indépendamment de Vds
Vgs = 0 V
Vgs = -0.5 V
Source
N
Vgs < 0
Vds > 0
Drain
Cas n°4 : Vgs < 0 et Vds >= 0
P
Grille
P
Zce
Zce
Vgs influence la taille du canal indépendamment de Vds
Vgs = 0 V
Vgs = -0.5 V
Vgs = -1 V
Cas n°4 : Vgs < 0 et Vds > 0
Accentuation de l’effet de pincement
Vds (V)
Id (mA)
Vgs = 0 V La valeur de Vgs < 0 influence directement le pincement du canal et le phénomène de saturation de Id
Vgs = -0.5 V
Vgs = -1 V
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.
P
Le MOS à enrichissement
Structure d’un MOS à enrichissement à canal N
N+ N+
Grille
Source Drain
Isolant
P
Le MOS à appauvrissement
Structure d’un MOS à appauvrissement à canal N
N+ N+
Grille
Source Drain
Isolant
N
Conditions normales de fonctionnement :
P
Fonctionnement d’un NMOS
N+ N+
Isolant
Vgs > 0
et Vds > 0
Vgs > 0 Vds > 0Grille
SourceDrain
Accumulation de charges positives sur la grille
P
Fonctionnement d’un NMOS
N+ N+
Isolant
Vgs > 0 Vds > 0Grille
SourceDrain
Création d’un champ électrique E sur la capacité MOS
P
Fonctionnement d’un NMOS
N+ N+
Isolant
Vgs > 0 Vds > 0Grille
SourceDrain
E
Trous majoritaires du substrat repoussés
P
Fonctionnement d’un NMOS
N+ N+
Isolant
Vgs > 0 Vds > 0Grille
SourceDrain
E
Electrons minoritaires du substrat attirés vers la grille
P
Fonctionnement d’un NMOS
N+ N+
Isolant
Vgs > 0 Vds > 0Grille
SourceDrain
E
Création d’un canal de type N sous l’isolant (couche d’inversion)
P
Fonctionnement d’un NMOS
N+ N+
Isolant
Vgs > 0 Vds > 0Grille
SourceDrain
EId
Caractéristiques
Caractéristiques similaires à celle d’un transistor JFET
Vds (V)
Id (mA)
Vgs = 8 V La valeur de Vgs > 0 influence directement la densité de porteurs minoritaires attirés sous la capacité MOS
Vgs = 6 V
Vgs = 2 V
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
Vds (V)
Id (mA)
Vgs = 4 V
L’existence du canal garantit une conduction du transistor pour des valeurs négatives et positives de Vgs
Vgs = 2 V
Vgs = 0 VVgs = -2 V
Vgs = -4 V