Hotline
Journaliste
Journaliste
Tout sur les transistors à jonction bipolaire (BJT)
2024-03-21
2597
L'origine des transistors à jonction bipolaire
Dans les transistors à jonction bipolaire modernes, le silicium a remplacé le germanium comme substrat et le contact ponctuel a été remplacé par deux jonctions pn couplées adjacentes. La structure peut prendre la forme de pnp ou de npn.
Un transistor, abréviation de « résistance de transfert », est un dispositif semi-conducteur à plusieurs jonctions. Généralement intégrés à d'autres composants de circuit, les transistors sont utilisés pour obtenir une amplification de tension, de courant ou de puissance du signal.
Les transistors bipolaires, également appelés transistors à jonction bipolaire (BJT), font partie des dispositifs semi-conducteurs les plus importants et trouvent de nombreuses applications dans les circuits à grande vitesse, les circuits analogiques, l'amplification de puissance, etc.
Par exemple, un semi-conducteur de type P est comme un morceau carré d’argile rempli de nombreux trous (appelés trous électroniques), semblables aux terriers observés dans les homards. Un semi-conducteur de type n est également un morceau carré d’argile, mais il est rempli de nombreux homards (électrons libres). Lorsqu’on colle ces deux morceaux d’argile ensemble, les homards rampent vers les terriers.
Comme les terriers des premiers rangs sont déjà presque épuisés, l’industrie des semi-conducteurs appelle cette zone la région d’épuisement.
C'est comme une porte : il est facile pour une personne de pousser la porte pour l'ouvrir dans une direction, mais c'est difficile si vous essayez de la pousser dans la direction opposée. Bien sûr, vous pouvez utiliser une grande force pour pousser violemment la porte jusqu'à ce qu'elle se brise, un processus que nous appelons rupture de la jonction.
En regardant les caractéristiques courant-tension d'une jonction PN, la courbe est celle indiquée dans le diagramme ci-dessous.
Lorsqu'une polarisation inverse est appliquée à une jonction PN, c'est comme donner des télescopes aux homards dans la boue. Les homards peuvent voir plus loin et ramper avec plus d’enthousiasme, ce qui permet à davantage de homards de trouver des terriers. Par conséquent, le mouvement global des homards augmente et la largeur de la région d’appauvrissement du semi-conducteur s’agrandit.
Le schéma ci-dessous montre une vue en perspective d'un transistor bipolaire PNP. Le processus de fabrication implique l'utilisation d'un semi-conducteur de type p comme substrat, en utilisant le principe de diffusion thermique pour créer une région de type n sur le substrat de type p. Par la suite, une région de type p+ à haute concentration est formée sur cette région de type n par diffusion thermique. Enfin, le métal est utilisé pour recouvrir les régions p+, n et sous-jacentes de type p afin de former des contacts ohmiques.
La région intermédiaire étroite de type n, avec une concentration modérée d'impuretés, est appelée la base (notée B), et la largeur de la région de base doit être beaucoup plus petite que la longueur de diffusion des porteurs minoritaires ;
La région avec la plus faible concentration de type p est appelée le collecteur (noté C). En supposant une répartition uniforme des concentrations dans chaque région, le concept de jonction pn peut être directement appliqué aux jonctions du transistor.
Le remplacement des régions de type p par des régions de type n et de la région de type n par une région de type p dans la structure d'un transistor bipolaire pnp donne la structure d'un transistor bipolaire npn. Par conséquent, la direction du courant et la polarité de la tension sont également inversées.
Le diagramme (a) montre le transistor bipolaire pnp idéal en équilibre thermique, où ses trois bornes sont connectées ensemble ou toutes connectées à la masse, avec des régions ombrées représentant les régions d'appauvrissement des deux jonctions pn.
Le diagramme (b) illustre les concentrations d'impuretés dans les trois régions dopées, la région émettrice ayant une concentration de dopage beaucoup plus élevée que la région collecteur, et la région de base ayant une concentration inférieure à celle de l'émetteur mais supérieure à celle du collecteur.
Le diagramme (c) représente la distribution du champ électrique dans la région d'appauvrissement.
Le diagramme (d) affiche le diagramme de bande d'énergie du transistor, étendant l'état d'équilibre thermique des jonctions pn et l'appliquant aux deux jonctions p+ - n couplées adjacentes et à la jonction n - p.
Le diagramme (a) montre le transistor connecté en tant qu'amplificateur de configuration à base commune, où la base est partagée entre les circuits d'entrée et de sortie.
Les diagrammes (b) et (c) illustrent la densité de charge et la distribution du champ électrique dans des conditions de polarisation, par rapport à l'état d'équilibre thermique représenté dans le diagramme précédent. La largeur de la région d'appauvrissement au niveau de la jonction émetteur-base se rétrécit, tandis que la région d'appauvrissement au niveau de la jonction collecteur-base s'élargit.
Le diagramme (d) affiche le diagramme de bande d'énergie du transistor fonctionnant en mode amplification. La jonction émetteur-base est polarisée en direct, ce qui provoque l'injection de trous de la région d'émetteur p+ dans la région de base et l'injection d'électrons de la région de base dans la région d'émetteur.
D'autre part, la jonction collecteur-base est polarisée en inverse, permettant à un courant de saturation inverse de circuler. Si la région de base est suffisamment étroite, les trous injectés depuis la région d'émetteur dans la région de base peuvent diffuser à travers la région de base et atteindre le bord de la région d'appauvrissement collecteur-base, circulant finalement à travers la région de collecteur sous la polarisation du collecteur. jonction de base.
Ce mécanisme de transport donne naissance aux appellations « émetteur » pour injecter les porteurs de charge et « collecteur » pour collecter les porteurs injectés depuis la jonction adjacente.
Si la plupart des trous injectés ne se recombinent pas avec les électrons dans la région de base mais atteignent le collecteur, le courant du collecteur dû aux trous correspondra étroitement au courant du trou émetteur.
Il est évident que les trous injectés depuis la jonction émetteur-base adjacente peuvent générer un courant important dans la jonction collecteur-base polarisée en inverse, conduisant à l'effet d'amplification du transistor, qui ne se produit que lorsque ces deux jonctions sont suffisamment proches l'une de l'autre, on les appelle donc jonctions pn en interaction.
À l'inverse, si ces deux jonctions pn sont trop éloignées, tous les trous entrants se recombineront avec les électrons de la base et n'atteindront pas le collecteur, ce qui n'aura aucun effet d'amplification du transistor. Dans ce cas, la structure pnp agit simplement comme deux diodes pn connectées dos à dos.
Gain de courant : Le diagramme ci-dessous illustre les différentes composantes de courant dans un transistor pnp idéal fonctionnant en mode amplification. En supposant qu'il n'y ait pas de courant de génération-recombinaison dans la région d'appauvrissement, les trous injectés depuis la région émettrice constituent la composante de courant prédominante IEp.
Il existe trois courants à la base : IBB, IEn et ICn.
IBB représente le courant d'électrons fournis par la base qui se recombinent avec les trous incidents (c'est-à-dire IBB = IEp - ICp) ; IEn représente le courant d'électrons injecté de la région de base dans la région de l'émetteur, qui est une composante de courant indésirable qui peut être réduite par un dopage important de l'émetteur ou en utilisant des hétérojonctions ; ICn représente le courant électronique généré près de la jonction du collecteur en raison des effets thermiques, circulant de la région du collecteur vers la région de base.
Modes de fonctionnement : En fonction des tensions de polarisation sur la jonction émetteur-base et la jonction collecteur-base, les transistors bipolaires ont quatre modes de fonctionnement.
Le schéma ci-dessous illustre les quatre modes de fonctionnement d'un transistor pnp et leurs relations avec VEB et VCB. La répartition des porteurs minoritaires dans chaque mode de fonctionnement est également présentée dans le diagramme.
Par exemple, en mode amplification, la jonction émetteur-base est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse.
En mode saturation, les deux jonctions du transistor sont polarisées en direct, conduisant à la présence de porteurs minoritaires dans les régions d'appauvrissement des deux jonctions.
En mode saturation, une faible tension peut entraîner un courant de sortie important, mettant le transistor dans un état conducteur similaire à un court-circuit.
En mode coupure, les deux jonctions du transistor sont polarisées en inverse, conduisant aux conditions aux limites de pn(0) = pn(W) = 0. Le transistor en mode coupure peut être vu comme un interrupteur en position ouverte (ou bloquée). .
En mode inversé, la jonction émetteur-base est polarisée en inverse et la jonction collecteur-base est polarisée en direct. Dans ce mode, l’électrode collectrice fait office d’émetteur et vice versa. Cependant, le gain de courant en mode inversé est généralement inférieur à celui du mode amplification en raison de la concentration de dopage plus faible dans la région du collecteur par rapport à la région de base, ce qui entraîne une « efficacité d'émission » inférieure.
Processus transitoire de commutation : dans les circuits numériques, les transistors agissent principalement comme des interrupteurs. En utilisant un faible courant de base, le courant du collecteur peut être rapidement modifié de désactivé à activé (et vice versa) en très peu de temps. À l'état éteint, il y a une haute tension et un faible courant, tandis qu'à l'état allumé, il y a une basse tension et un courant élevé.
Transistors bipolaires à hétérojonction (HBT)
Les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) font référence aux transistors dans lesquels une ou les deux jonctions sont constituées de matériaux semi-conducteurs différents.
Le principal avantage des HBT est leur rendement d’émission élevé et ils sont utilisés de la même manière que les transistors bipolaires. Cependant, les HBT ont une vitesse plus élevée et peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées. En raison de ces caractéristiques, les HBT sont largement utilisés dans les applications optoélectroniques, micro-ondes et numériques. Dans les applications micro-ondes, les HBT sont couramment utilisés pour fabriquer des amplificateurs, oscillateurs et mélangeurs de puissance à micro-ondes et à ondes millimétriques à semi-conducteurs.
Structure de base HBT : La plupart des technologies HBT sont développées dans le système de matériaux AlxGa1-xAs/GaAs. La structure de base npn HBT se compose d'une couche AlxGa1-xAs à large bande interdite dans la région de l'émetteur de type n, d'une couche GaAs à bande interdite plus étroite dans la région de base de type p et de régions de collecteur et de sous-collecteur de type n constituées de matériaux légèrement dopés et fortement dopés. GaAs, respectivement.
HBT avancés : ces dernières années, les matériaux de la série InP (tels que InP/InGaAs ou AlInAs/InGaAs) ont fait l'objet de recherches systématiques et les hétérostructures à base d'InP offrent de nombreux avantages. La structure InP/InGaAs présente une recombinaison de surface extrêmement faible et la mobilité électronique de l'InGaAs est bien supérieure à celle du GaAs, ce qui se traduit par d'excellentes performances haute fréquence.
Le graphique ci-dessous représente la courbe caractéristique d'un HBT typique à base de phosphure d'indium, avec une fréquence de coupure atteignant 254 GHz. De plus, InP démontre une vitesse de dérive plus élevée que GaAs sous de forts champs électriques et présente également une tension de claquage plus élevée.
La faible densité des pièges d'interface en silicium contribue à réduire le courant de recombinaison de surface, garantissant ainsi un gain de courant élevé même à de faibles courants de collecteur. De plus, la compatibilité avec la technologie standard de traitement du silicium est une autre caractéristique très intéressante.
Le diagramme en (a) illustre une structure Si/SiGe HBT typique, tandis que (b) compare le courant de collecteur du Si/SiGe HBT avec celui d'un transistor bipolaire à homojonction de silicium, montrant que le Si/SiGe HBT présente un gain de courant plus élevé. Comparé aux HBT à base d'arséniure de gallium et de phosphure d'indium, le Si/SiGe
HBT a une fréquence de coupure plus basse en raison de la moindre mobilité des porteurs du silicium.
Caractéristiques de base : Le schéma ci-dessous illustre la section transversale d'un thyristor, constitué d'une structure pnpn à quatre couches formée de trois jonctions pn connectées en série, à savoir J1, J2 et J3. La couche p externe, connectée à l'électrode de contact, est appelée anode, tandis que la couche n de l'autre côté est appelée cathode. Cette structure, sans électrodes supplémentaires, représente un dispositif à deux bornes et est appelée diode pnpn.
Le diagramme (c) illustre le diagramme de bande d'énergie du dispositif à thyristors en équilibre thermique. Chaque jonction possède une couche d'appauvrissement et le potentiel intégré est déterminé par la concentration de dopage.
Si l'impulsion de courant de grille est appliquée peu avant le début de chaque cycle, davantage de puissance sera transférée à la charge. À l'inverse, retarder l'impulsion de courant de gâchette entraînera une réduction significative de la puissance fournie à la charge lorsque le dispositif à thyristors conduit vers la fin du cycle.
Le transistor à jonction bipolaire a été inventé par une équipe de recherche des Laboratoires Bell en 1947. Le premier transistor était constitué de deux fils métalliques aux extrémités pointues établissant un contact ponctuel avec un substrat en germanium. Bien que primitif par rapport aux normes actuelles, ce premier transistor a considérablement transformé l'ensemble de l'industrie électronique et le mode de vie de l'humanité.
Dans les transistors à jonction bipolaire modernes, le silicium a remplacé le germanium comme substrat et le contact ponctuel a été remplacé par deux jonctions pn couplées adjacentes. La structure peut prendre la forme de pnp ou de npn.
Un transistor, abréviation de « résistance de transfert », est un dispositif semi-conducteur à plusieurs jonctions. Généralement intégrés à d'autres composants de circuit, les transistors sont utilisés pour obtenir une amplification de tension, de courant ou de puissance du signal.
Les transistors bipolaires, également appelés transistors à jonction bipolaire (BJT), font partie des dispositifs semi-conducteurs les plus importants et trouvent de nombreuses applications dans les circuits à grande vitesse, les circuits analogiques, l'amplification de puissance, etc.
Qu'est-ce qu'une jonction PN ?
C'est une jonction formée par le contact entre un semi-conducteur de type p et un semi-conducteur de type n.
Par exemple, un semi-conducteur de type P est comme un morceau carré d’argile rempli de nombreux trous (appelés trous électroniques), semblables aux terriers observés dans les homards. Un semi-conducteur de type n est également un morceau carré d’argile, mais il est rempli de nombreux homards (électrons libres). Lorsqu’on colle ces deux morceaux d’argile ensemble, les homards rampent vers les terriers.
Les homards les plus en avant sont les premiers à trouver les terriers de la première rangée. Une fois que les homards de la première rangée ont rampé dans les terriers, les homards derrière eux doivent grimper plus loin et ont plus de difficulté à trouver des terriers.
Comme les terriers des premiers rangs sont déjà presque épuisés, l’industrie des semi-conducteurs appelle cette zone la région d’épuisement.
La jonction PN possède une caractéristique appelée rectification, qui permet au courant de circuler dans une seule direction.
C'est comme une porte : il est facile pour une personne de pousser la porte pour l'ouvrir dans une direction, mais c'est difficile si vous essayez de la pousser dans la direction opposée. Bien sûr, vous pouvez utiliser une grande force pour pousser violemment la porte jusqu'à ce qu'elle se brise, un processus que nous appelons rupture de la jonction.
En regardant les caractéristiques courant-tension d'une jonction PN, la courbe est celle indiquée dans le diagramme ci-dessous.
Lorsqu'une polarisation directe est appliquée à une jonction PN, c'est comme mettre un bandeau sur les yeux des homards dans la boue. Les homards deviennent myopes et ne peuvent voir que les terriers du premier rang. En conséquence, le mouvement global des homards diminue et le nombre de homards rampant vers les terriers diminue également, réduisant ainsi la largeur de la région d'épuisement.
Lorsqu'une polarisation inverse est appliquée à une jonction PN, c'est comme donner des télescopes aux homards dans la boue. Les homards peuvent voir plus loin et ramper avec plus d’enthousiasme, ce qui permet à davantage de homards de trouver des terriers. Par conséquent, le mouvement global des homards augmente et la largeur de la région d’appauvrissement du semi-conducteur s’agrandit.
Dans la figure ci-dessous, (a) représente la largeur normale de la région d'appauvrissement dans une jonction PN, (b) montre la largeur après application d'une polarisation directe et (c) montre la largeur après application d'une polarisation inverse.
La structure d'un transistor bipolaire :
Le schéma ci-dessous montre une vue en perspective d'un transistor bipolaire PNP. Le processus de fabrication implique l'utilisation d'un semi-conducteur de type p comme substrat, en utilisant le principe de diffusion thermique pour créer une région de type n sur le substrat de type p. Par la suite, une région de type p+ à haute concentration est formée sur cette région de type n par diffusion thermique. Enfin, le métal est utilisé pour recouvrir les régions p+, n et sous-jacentes de type p afin de former des contacts ohmiques.
Le transistor bipolaire pnp est constitué de trois régions avec des concentrations de dopage différentes, formant deux jonctions pn. La région p+ à plus forte concentration est appelée émetteur (notée E) ;
La région intermédiaire étroite de type n, avec une concentration modérée d'impuretés, est appelée la base (notée B), et la largeur de la région de base doit être beaucoup plus petite que la longueur de diffusion des porteurs minoritaires ;
La région avec la plus faible concentration de type p est appelée le collecteur (noté C). En supposant une répartition uniforme des concentrations dans chaque région, le concept de jonction pn peut être directement appliqué aux jonctions du transistor.
Le diagramme ci-dessous montre le symbole de circuit d'un transistor bipolaire pnp, indiquant les différentes composantes de courant et polarités de tension. Les flèches et les symboles "+" et "-" représentent les directions des courants et les polarités des tensions dans le mode de fonctionnement général (c'est-à-dire mode d'amplification, mode actif) du transistor. Dans ce mode, la jonction émetteur-base est polarisée en direct (VEB > 0), tandis que la jonction collecteur-base est polarisée en inverse (VCB < 0). Selon
Loi de circuit de Kirchhoff, pour cet appareil à trois bornes, il n'y a que deux courants indépendants ; si deux courants sont connus, le courant de la troisième borne peut être déterminé.
Loi de circuit de Kirchhoff, pour cet appareil à trois bornes, il n'y a que deux courants indépendants ; si deux courants sont connus, le courant de la troisième borne peut être déterminé.
La structure et le symbole du circuit d'un transistor bipolaire npn sont complémentaires à ceux d'un transistor bipolaire pnp. Le diagramme ci-dessous montre la structure idéale et le symbole de circuit d'un transistor PNP.
Le remplacement des régions de type p par des régions de type n et de la région de type n par une région de type p dans la structure d'un transistor bipolaire pnp donne la structure d'un transistor bipolaire npn. Par conséquent, la direction du courant et la polarité de la tension sont également inversées.
Comprenant le transistor pnp, on peut décrire le transistor npn en échangeant simplement la polarité et les types de dopage.
IV. Mode d'amplification du transistor bipolaire
Le diagramme (a) montre le transistor bipolaire pnp idéal en équilibre thermique, où ses trois bornes sont connectées ensemble ou toutes connectées à la masse, avec des régions ombrées représentant les régions d'appauvrissement des deux jonctions pn.
Le diagramme (b) illustre les concentrations d'impuretés dans les trois régions dopées, la région émettrice ayant une concentration de dopage beaucoup plus élevée que la région collecteur, et la région de base ayant une concentration inférieure à celle de l'émetteur mais supérieure à celle du collecteur.
Le diagramme (c) représente la distribution du champ électrique dans la région d'appauvrissement.
Le diagramme (d) affiche le diagramme de bande d'énergie du transistor, étendant l'état d'équilibre thermique des jonctions pn et l'appliquant aux deux jonctions p+ - n couplées adjacentes et à la jonction n - p.
Le schéma suivant correspond au transistor fonctionnant en mode amplification comme représenté dans l'illustration précédente.
Le diagramme (a) montre le transistor connecté en tant qu'amplificateur de configuration à base commune, où la base est partagée entre les circuits d'entrée et de sortie.
Les diagrammes (b) et (c) illustrent la densité de charge et la distribution du champ électrique dans des conditions de polarisation, par rapport à l'état d'équilibre thermique représenté dans le diagramme précédent. La largeur de la région d'appauvrissement au niveau de la jonction émetteur-base se rétrécit, tandis que la région d'appauvrissement au niveau de la jonction collecteur-base s'élargit.
Le diagramme (d) affiche le diagramme de bande d'énergie du transistor fonctionnant en mode amplification. La jonction émetteur-base est polarisée en direct, ce qui provoque l'injection de trous de la région d'émetteur p+ dans la région de base et l'injection d'électrons de la région de base dans la région d'émetteur.
Dans une diode idéale, il n'y a pas de courant de génération-recombinaison dans la région d'appauvrissement, donc les trous injectés de la région émettrice vers la région de base et les électrons injectés de la région de base vers la région émettrice constituent le courant d'émetteur.
D'autre part, la jonction collecteur-base est polarisée en inverse, permettant à un courant de saturation inverse de circuler. Si la région de base est suffisamment étroite, les trous injectés depuis la région d'émetteur dans la région de base peuvent diffuser à travers la région de base et atteindre le bord de la région d'appauvrissement collecteur-base, circulant finalement à travers la région de collecteur sous la polarisation du collecteur. jonction de base.
Ce mécanisme de transport donne naissance aux appellations « émetteur » pour injecter les porteurs de charge et « collecteur » pour collecter les porteurs injectés depuis la jonction adjacente.
Si la plupart des trous injectés ne se recombinent pas avec les électrons dans la région de base mais atteignent le collecteur, le courant du collecteur dû aux trous correspondra étroitement au courant du trou émetteur.
Il est évident que les trous injectés depuis la jonction émetteur-base adjacente peuvent générer un courant important dans la jonction collecteur-base polarisée en inverse, conduisant à l'effet d'amplification du transistor, qui ne se produit que lorsque ces deux jonctions sont suffisamment proches l'une de l'autre, on les appelle donc jonctions pn en interaction.
À l'inverse, si ces deux jonctions pn sont trop éloignées, tous les trous entrants se recombineront avec les électrons de la base et n'atteindront pas le collecteur, ce qui n'aura aucun effet d'amplification du transistor. Dans ce cas, la structure pnp agit simplement comme deux diodes pn connectées dos à dos.
Gain de courant : Le diagramme ci-dessous illustre les différentes composantes de courant dans un transistor pnp idéal fonctionnant en mode amplification. En supposant qu'il n'y ait pas de courant de génération-recombinaison dans la région d'appauvrissement, les trous injectés depuis la région émettrice constituent la composante de courant prédominante IEp.
La plupart des trous incidents atteindront l’électrode collectrice et formeront ICp.
Il existe trois courants à la base : IBB, IEn et ICn.
IBB représente le courant d'électrons fournis par la base qui se recombinent avec les trous incidents (c'est-à-dire IBB = IEp - ICp) ; IEn représente le courant d'électrons injecté de la région de base dans la région de l'émetteur, qui est une composante de courant indésirable qui peut être réduite par un dopage important de l'émetteur ou en utilisant des hétérojonctions ; ICn représente le courant électronique généré près de la jonction du collecteur en raison des effets thermiques, circulant de la région du collecteur vers la région de base.
Modes de fonctionnement : En fonction des tensions de polarisation sur la jonction émetteur-base et la jonction collecteur-base, les transistors bipolaires ont quatre modes de fonctionnement.
Le schéma ci-dessous illustre les quatre modes de fonctionnement d'un transistor pnp et leurs relations avec VEB et VCB. La répartition des porteurs minoritaires dans chaque mode de fonctionnement est également présentée dans le diagramme.
Par exemple, en mode amplification, la jonction émetteur-base est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse.
En mode saturation, les deux jonctions du transistor sont polarisées en direct, conduisant à la présence de porteurs minoritaires dans les régions d'appauvrissement des deux jonctions.
En mode saturation, une faible tension peut entraîner un courant de sortie important, mettant le transistor dans un état conducteur similaire à un court-circuit.
En mode coupure, les deux jonctions du transistor sont polarisées en inverse, conduisant aux conditions aux limites de pn(0) = pn(W) = 0. Le transistor en mode coupure peut être vu comme un interrupteur en position ouverte (ou bloquée). .
En mode inversé, la jonction émetteur-base est polarisée en inverse et la jonction collecteur-base est polarisée en direct. Dans ce mode, l’électrode collectrice fait office d’émetteur et vice versa. Cependant, le gain de courant en mode inversé est généralement inférieur à celui du mode amplification en raison de la concentration de dopage plus faible dans la région du collecteur par rapport à la région de base, ce qui entraîne une « efficacité d'émission » inférieure.
Processus transitoire de commutation : dans les circuits numériques, les transistors agissent principalement comme des interrupteurs. En utilisant un faible courant de base, le courant du collecteur peut être rapidement modifié de désactivé à activé (et vice versa) en très peu de temps. À l'état éteint, il y a une haute tension et un faible courant, tandis qu'à l'état allumé, il y a une basse tension et un courant élevé.
Transistors bipolaires à hétérojonction (HBT)
Les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) font référence aux transistors dans lesquels une ou les deux jonctions sont constituées de matériaux semi-conducteurs différents.
Le principal avantage des HBT est leur rendement d’émission élevé et ils sont utilisés de la même manière que les transistors bipolaires. Cependant, les HBT ont une vitesse plus élevée et peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées. En raison de ces caractéristiques, les HBT sont largement utilisés dans les applications optoélectroniques, micro-ondes et numériques. Dans les applications micro-ondes, les HBT sont couramment utilisés pour fabriquer des amplificateurs, oscillateurs et mélangeurs de puissance à micro-ondes et à ondes millimétriques à semi-conducteurs.
Structure de base HBT : La plupart des technologies HBT sont développées dans le système de matériaux AlxGa1-xAs/GaAs. La structure de base npn HBT se compose d'une couche AlxGa1-xAs à large bande interdite dans la région de l'émetteur de type n, d'une couche GaAs à bande interdite plus étroite dans la région de base de type p et de régions de collecteur et de sous-collecteur de type n constituées de matériaux légèrement dopés et fortement dopés. GaAs, respectivement.
Pour former un contact ohmique, une couche d'arséniure de gallium de type N hautement dopée est ajoutée entre le contact émetteur et la couche d'arséniure de gallium et d'aluminium. En raison de la différence significative de largeur de bande interdite entre les régions d'émetteur et de base, le gain de courant d'émetteur commun peut être augmenté de manière significative. En revanche, les transistors bipolaires à homojonction ne présentent pas une telle différence de largeur de bande interdite et, par conséquent, le rapport de concentration de dopage entre les régions de l'émetteur et de la base doit être augmenté de manière significative. Cette différence fondamentale distingue les transistors bipolaires à homojonction des transistors bipolaires à hétérojonction.
HBT avancés : ces dernières années, les matériaux de la série InP (tels que InP/InGaAs ou AlInAs/InGaAs) ont fait l'objet de recherches systématiques et les hétérostructures à base d'InP offrent de nombreux avantages. La structure InP/InGaAs présente une recombinaison de surface extrêmement faible et la mobilité électronique de l'InGaAs est bien supérieure à celle du GaAs, ce qui se traduit par d'excellentes performances haute fréquence.
Le graphique ci-dessous représente la courbe caractéristique d'un HBT typique à base de phosphure d'indium, avec une fréquence de coupure atteignant 254 GHz. De plus, InP démontre une vitesse de dérive plus élevée que GaAs sous de forts champs électriques et présente également une tension de claquage plus élevée.
Un autre type d'hétérojonction est le système de matériaux Si/SiGe, qui offre plusieurs fonctionnalités intéressantes pour les applications HBT. Semblable au AlGaAs/GaAs HBT, le Si/SiGe HBT bénéficie également de la capacité de se doper fortement en raison de la différence de largeur de bande interdite, ce qui se traduit par des performances à grande vitesse.
La faible densité des pièges d'interface en silicium contribue à réduire le courant de recombinaison de surface, garantissant ainsi un gain de courant élevé même à de faibles courants de collecteur. De plus, la compatibilité avec la technologie standard de traitement du silicium est une autre caractéristique très intéressante.
Le diagramme en (a) illustre une structure Si/SiGe HBT typique, tandis que (b) compare le courant de collecteur du Si/SiGe HBT avec celui d'un transistor bipolaire à homojonction de silicium, montrant que le Si/SiGe HBT présente un gain de courant plus élevé. Comparé aux HBT à base d'arséniure de gallium et de phosphure d'indium, le Si/SiGe
HBT a une fréquence de coupure plus basse en raison de la moindre mobilité des porteurs du silicium.
Section VI : Dispositifs à thyristors et dispositifs de puissance associés
Les dispositifs à thyristors sont des composants de puissance cruciaux capables de contrôler une haute tension et un courant élevé, permettant au dispositif de passer d'un état fermé ou bloqué à un état ouvert ou conducteur, et vice versa. Leur fonctionnement est étroitement lié à celui des transistors bipolaires, impliquant la conduction d'électrons et de trous.
Cependant, leur mécanisme de commutation et leur structure diffèrent de ceux des transistors bipolaires, offrant une large gamme de capacités de contrôle du courant et de la tension. Le courant nominal peut aller de quelques milliampères à plus de 5000 10,000 A, avec une tension nominale supérieure à XNUMX XNUMX V.
Cependant, leur mécanisme de commutation et leur structure diffèrent de ceux des transistors bipolaires, offrant une large gamme de capacités de contrôle du courant et de la tension. Le courant nominal peut aller de quelques milliampères à plus de 5000 10,000 A, avec une tension nominale supérieure à XNUMX XNUMX V.
Caractéristiques de base : Le schéma ci-dessous illustre la section transversale d'un thyristor, constitué d'une structure pnpn à quatre couches formée de trois jonctions pn connectées en série, à savoir J1, J2 et J3. La couche p externe, connectée à l'électrode de contact, est appelée anode, tandis que la couche n de l'autre côté est appelée cathode. Cette structure, sans électrodes supplémentaires, représente un dispositif à deux bornes et est appelée diode pnpn.
Si une autre électrode, appelée grille, est connectée à la couche p2 interne, le dispositif à trois bornes résultant est appelé redresseur commandé par semi-conducteur (SCR) ou thyristor.
Le diagramme en (b) montre un profil de dopage typique d'un dispositif à thyristors. Cela commence par une plaquette de silicium de type n à haute résistivité comme matériau de départ (couche n), suivie d'une étape de diffusion pour former simultanément les couches p1 et p2. Enfin, l’alliage ou la diffusion est utilisée pour créer la couche n2 sur une face de la plaquette de silicium.
Le diagramme (c) illustre le diagramme de bande d'énergie du dispositif à thyristors en équilibre thermique. Chaque jonction possède une couche d'appauvrissement et le potentiel intégré est déterminé par la concentration de dopage.
Le diagramme illustre une application simple d'un dispositif à thyristors, qui peut ajuster la puissance fournie par la ligne électrique à la charge. La charge, RL, pourrait être une ampoule ou un radiateur, par exemple. La puissance délivrée à la charge à chaque cycle est contrôlée par l'impulsion de courant de gâchette du dispositif à thyristors.
Si l'impulsion de courant de grille est appliquée peu avant le début de chaque cycle, davantage de puissance sera transférée à la charge. À l'inverse, retarder l'impulsion de courant de gâchette entraînera une réduction significative de la puissance fournie à la charge lorsque le dispositif à thyristors conduit vers la fin du cycle.
Ce sont toutes les informations concernant les transistors bipolaires.
Recommandations connexes
粤公网安备44030002007346号