Cours d'électronique analogique. Première année GEII de l'IUT de l'Indre. Transistors bipolaires et MOSFET.

1. Transistors
Bases de l’électronique
Eric PERONNIN

2. www.geii.eu 2
Généralités
Deux grandes familles de transistors
2
Transistor
bipolaire
Transistor à effet de champ
NPN PNP
JFET, MESFET
Mode
appauvrissement
Enrichissement
N-ch P-ch
Transistor
IGBT
dans un circuit intégré :
MOSFET
Appauvrissement
Mode
NMOS PMOS NMOS PMOS

3. www.geii.eu 3
Généralités
Deux modes d’utilisation des transistors
 En « tout ou rien », commutation :
 Circuits intégrés numériques.
 Alimentations à découpage, onduleurs.
 Amplification numérique.
 En analogique :
 Briques de bases des circuits intégrés analogiques (dont
l’amplificateur opérationnel) ou des amplificateurs à composants
discrets :
– générateur et miroir de courant,
– amplification différentielle,
– amplification en courant ou en tension.
 Fonctions de traitement du signal en analogique :
– linéaires : addition, soustraction et multiplication …
– non-linéaires : conversion exponentielle, logarithmique …
3

4. Transistor bipolaire :
présentation – approche grands signaux
Bases de l’électronique
Eric PERONNIN

5. www.geii.eu 5
Trois zones dopées : NPN ou PNP
Association de trois zones dopées :
 Exemple du transistor NPN
 Symboles et conventions
NPN PNP
5
Silicium P
SiO2
N
Collecteur Emetteur
Base
P
N+ Réalisation typique
des premiers
transistors bipolaires
Base
Collecteur
Emetteur
Base
Emetteur
Emetteur

6. www.geii.eu 6
Modes de fonctionnement
2 jonctions  4 modes de fonctionnement possibles
Dans les modes 1 et 2, le transistor peut être vu comme un
interrupteur commandé (parfait en 1ière approche)
6
Mode Jonction BE Jonction BC
1. Bloqué Bloquée Bloquée Le transistor se comporte comme un
interrupteur ouvert.
2. Saturé Passante Passante Le transistor se comporte comme un
interrupteur fermé.
3. Amplificateur Passante Bloquée Le transistor fonctionne en
amplificateur de courant quasi-linéaire.
4. Amplificateur
dégradé
Bloquée Passante Idem mais en mode inversé et aux
caractéristiques dégradées.
Base
Collecteur
Emetteur
Base
Collecteur
Emetteur

7. www.geii.eu 7
Etude du transistor NPN
Réseau de caractéristiques en mode émetteur commun
 Schéma de mesure
 entrée : jonction Base-Emetteur
 sortie : tension Collecteur-Emetteur
 Tracer de 3 réseaux de caractéristiques
 plusieurs caractéristiques à dans le plan
 caractéristiques de sortie
 plusieurs caractéristiques à dans le plan
 caractéristiques de transfert en courant
 caractéristiques d’entrée (jonction base-émetteur)
dans le plan
7

8. www.geii.eu 8
Transistor NPN en émetteur commun
Caractéristique d’entrée
8
Transistor MAT04
Analog Devices On retrouve la caractéristique
exponentielle de

9. www.geii.eu 9
Transistor NPN en émetteur commun
Caractéristiques de sortie
9
Jonction Base-Emetteur passante – Jonction Base-Collecteur bloquée
Jonction BE passante
Jonction BC passante
Transistor MAT04
Analog Devices
Zone de fonctionnement linéaire  effet transistorZone de
saturation

10. www.geii.eu 10
Transistor NPN en émetteur commun
Caractéristiques de transfert
10
Amplification en courant
ici :
Transistor MAT04
Analog Devices

11. www.geii.eu 11
Fonctionnement dans la zone de saturation
Tension de saturation :
Le coefficient d’amplification en courant change :
Réduire  augmenter pour un courant souhaité.
Pertes dans le transistor saturé :
 Diminuer permet de limiter les pertes par conduction
lorsque le transistor est saturé.
11

12. www.geii.eu 12
Fonctionnement dans la zone de saturation
Exemple : commutation d’un relais 5v (3.75v min.)
 Caractéristique : bobine de
 Courant de fermeture minimum :
 Choix pour
 Maille d’entrée :
12
D
Relais
4
3
1
2
Vcc=5v
0
RB
Vcc
0
I
I
B
C
VCEsat
VBE
Choix d’un NPN : BC546
Ic=100mA max
BC546

13. www.geii.eu 13
Déterminer si le transistor est bloqué ou saturé
Méthodologie
 Identique à celle employée pour connaître l’état d’une diode :
remplacer le transistor par son modèle dans un état choisi
(bloqué ou passant) et vérifier si les hypothèses se vérifient.
 ATTENTION : le transistor peut être dans un 3ième état  ne pas
être bloqué n’implique pas qu’il soit saturé.
Modèles saturé/bloqué du transistor bipolaire
Base
Collecteur
Emetteur
Collecteur
Emetteur
Base
Transistor bipolaire bloqué Transistor bipolaire saturé
Valeurs typiques
pour les calculs :

14. www.geii.eu 14
Fonctionnement dans la zone linéaire
Effet transistor
14
n
n
p1
2
3
Jonction Base-Emetteur passante :
les électrons libres de l’émetteur
migrent vers la base.
Comme celle-ci est très fine, les
électrons de l’émetteur s’y
recombinent peu et le champ
électrique les fait migrer vers
le collecteur.
Electrons passant de l’émetteur
vers le collecteur (courant ).
Electrons de l’émetteur se
recombinant dans la base
(courant ).
Electrons minoritaires de la base
migrant vers le collecteur (courant
inverse de saturation de la jonction
Base-Collecteur noté ).
1
3
2
Jonction Base-
Collecteur bloquée
Jonction Base-
Emetteur passante

15. www.geii.eu 15
Fonctionnement dans la zone linéaire
Equations résultantes
15
n
n
p1
2
3
Le transistor se comporte comme
un nœud :
Au niveau du collecteur, on a :
On pose où est le
coefficient d’amplification en
courant du transistor et il vient :
d’où :

16. www.geii.eu 16
Fonctionnement dans la zone linéaire
Equations générales du transistor NPN en amplification
 Amplification en courant :
 à la température ambiante, soit 25°C, on peut négliger :
 Note : pour un MAT04 Analog Device à 25°C
avec de l’ordre de à
Or double tous les 7°C, soit
d’où pour le MAT04 : à 85°C, à 120°C
 Somme des courants :
 Jonction Base-Emetteur (passante dans la zone linéaire) :
16
est le gain du transistor en inverse
(amplification dégradée).

17. www.geii.eu 17
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs
 Transistors identiques (même , même )
 Polarisation :
 Entrées actives :
17
B1 B2
Q2Q1
I
Rc Rc
I
Vs
VDD
C1 C2
II
I
VEE
loi des nœuds :
maille d’entrée :
maille de sortie :
courants collecteurs :
approximation :
 montage symétrique

 Q1 et Q2 sont largement passant en
l’absence de signal en entrée.

18. www.geii.eu 18
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs
18
On repart des courants collecteurs :
or la maille d’entrée donne :
d’où :
Comme
et par symétrie :
En posant , il vient : et

19. www.geii.eu 19
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs
19
On termine en utilisant la relation de sortie :
et
soit :
en mettant en facteur au numérateur et au dénominateur, on
trouve :
Finalement :

20. www.geii.eu 20
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs : analyse du résultat
 Constat : résultat dépendant uniquement de la différence des
entrées  tension différentielle d’entrée :
20
Comparaison avec la linéarisation
au premier ordre en prenant la
tangente à l’origine :
Amplification différentielle

21. www.geii.eu 21
Utilisation en microélectronique
Paire différentielle à émetteurs communs : analyse du résultat
 Limite principale :
 le gain différentiel est limité car le produit
est limité par la polarisation.
Fonctionnement linéaire  jonction Base-Collecteur bloquée
– soit ou encore
– or, à la polarisation :
– et en régime variable, il faut assurer une dynamique maximale en conservant la
jonction Base-Collecteur bloquée. Cela conduit à respecter
soit
 Amélioration :
 utilisation de charges actives à la place des résistances
– voir miroir de courant dans la suite du cours.
21

22. www.geii.eu 22
Utilisation en microélectronique
Miroir de courant
22
I
VEE
Q2Q1
II
I
B2B1
IN OUT
IC1 IC2
Modèle de base
On considère les transistors
identiques donc :
et
Or donc
Améliorations possibles :
- diminuer l’écart induit par ,
- permettre d’avoir .
A l’entrée :
Or donc :
Pour ,
d’où le nom de miroir de courant.

23. www.geii.eu 23
Utilisation en microélectronique
Miroir de courant à courants multiples
23
En multipliant la surface de l’émetteur
de Q1 et/ou Q2 :
Le courant de saturation inverse d’un
transistor est proportionnel à la surface
de son émetteur.
Pour plus de précision, on préfère
l’approche ci-contre.
I
VEE
Q2Q1
II
I
B1 B2
OUTIN
IC1 IC2
A 1
I
VEE
Q2Q1
II
I
B1 B2
I
OUTIN
C1 IC2
Q1'
IC1'
En multipliant le nombre de transistor
d’un côté, on change le rapport des
courants :
On montre aisément que si les
transistors sont rigoureusement
identiques :

24. www.geii.eu 24
Utilisation en microélectronique
Miroir de courant de Wilson
24
I
VEE
Q1Q3
II
IIN
B3 B1
I
OUT
IC3 C1
Q2
On montre aisément que :
On a diminué l’écart entre courant d’entrée et de
sortie induit par le fait que ne soit pas infini.
L’étude du rapport entre et
n’est pas suffisante pour apprécier les
qualités d’un miroir de courant.
Il faut également s’intéresser à la
résistance interne du générateur de
Norton pour .

25. www.geii.eu 25
Utilisation en microélectronique
Miroir de courant utilisé en charge active dans une paire
différentielle
25
B2B1
Q2Q1
I IC1 C2
II
I
VEE
Q4Q3
Is
VDD Miroir de courant utilisé en charges actives :
- à la polarisation, les transistors Q1 et Q2
voient des courants identiques,
- en régime variable, Q3 et Q4 présentent
une résistance dynamique très élevée 
amplification différentielle élevée.
La sortie s’effectue en courant et on
montre que
Il faut ensuite un second étage de
conversion courant/tension pour lui
succéder et obtenir une information en
tension.

26. www.geii.eu 26
Utilisation en microélectronique
Source de courant
 on vient de le voir, la paire différentielle nécessite une
polarisation via une source de courant. La source de courant est
par conséquent un élément important en microélectronique.
26
VDD
R
I
VEE
V
Z
Z
D
R
Idée de base
Inconvénients :
- solution inutilisable avec des processus de
fabrication standard pour lesquels
 R élevée  coût silicium élevé
 on doit pouvoir faire mieux !

27. www.geii.eu 27
Utilisation en microélectronique
Source de courant
27
Première amélioration : remplacement de la diode zener par une
jonction BE de transistor.
Déjà vu :
Ici :
soit :
Application numérique avec des valeurs
classiques dans un circuit intégré :
VDD
R
I
VEE
Q2Q1
IIB1 B2
I
OUT
IN
IC1
 Trop exigeant en surface silicium. On peut diviser en
multipliant les transistors Q1 mais ce sera insuffisant.

28. www.geii.eu 28
Utilisation en microélectronique
Source de courant
28
Seconde amélioration : source de courant de Widlar (concepteur du premier
amplificateur opérationnel).
On suppose qu’on connait les courants d’entrée et de sortie
puisqu’ils constituent le cahier des charges.
Les transistors ayant des courants de fuite identiques et
considérant :
On montre que :
ce qui permet de calculer .
On déduit ensuite aisément et on montre que la somme
de est bien moindre que dans le cas précédent.
Il faut encore s’intéresser à la résistance interne de
la source de courant en sortie.
I
VEE
Q2Q1
I I
I
B2B1
IN OUT
IC1 IC2
R1
R1
VDD

29. Transistor MOSFET :
présentation – caractéristiques
Bases de l’électronique
Eric PERONNIN

30. www.geii.eu 30
Généralités
Deux grandes familles de transistors
30
Transistor
bipolaire
Transistor à effet de champ
NPN PNP
JFET, MESFET
Mode
appauvrissement
Enrichissement
N-ch P-ch
Transistor
IGBT
dans un circuit intégré :
MOSFET
Appauvrissement
Mode
NMOS PMOS NMOS PMOS

31. www.geii.eu 31
Généralités
MOSFET :
 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor : Transistor à
effet de champ à grille isolée.
Vu de l’extérieur :
 Rien ne le différencie d’un transistor bipolaire.
 3 broches :
Drain (D)
Grille (G)
ou
« Gate »
Source (S)

32. www.geii.eu 32
MOSFET : généralités
Divers symboles :
 Symboles et conventions des MOSFETs à enrichissement
MOSFET N MOSFET P
Grille
Drain
Source
Grille
Drain
Source
Mais aussi :
1 1
1 : MOSFET réels intègrent souvent une diode supplémentaire.
2 2
2 : Représentation adoptée dans les circuits intégrés.

33. www.geii.eu 33
Transistors bipolaire et MOSFET
Quelles différences ? Points communs ?
Silicium P
SiO2
N
Collecteur
Emetteur
Base
P
N+
Silicium P
SiO2
Grille
SiO2
N+
Source Drain
N+
SiO2SiO2
Substrat1
SiO2SiO2
MOSFET N
Bipolaire NPN
 MOS plus petit et plus simple à fabriquer.
 Substrat relié à la source en général.
 SiO2 isolant  Grille isolée  alors que .
SiO2
Métal
Oxyde de
Silicium
1 : Substrat ou « Body » ou « Bulk »
Grille
Drain
Source
Base
Collecteur
Emetteur

34. www.geii.eu 34
Transistors bipolaire et MOSFET
Quelles différences ? Points communs ?
 Différence importante à l’entrée :
 Forte similitude à la sortie :
Grille
Drain
Source
Base
Collecteur
Emetteur
Un transistor bipolaire se commande en courant.
Un transistor MOSFET se pilote en tension !

35. www.geii.eu 35
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Caractéristique de transfert du MOSFET N
Zone
bloquée
G
D
S
Zone passante

36. www.geii.eu 36
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Caractéristique de transfert du MOSFET N
Zone
bloquée
G
D
S
Modèle du MOSFET bloqué
G
D
S
Zone passante

37. www.geii.eu 37
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Caractéristique de sortie du MOSFET N
G
D
S
choisi :

38. www.geii.eu 38
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Caractéristique de sortie du MOSFET N
Zone
ohmique
G
D
S
choisi :

39. www.geii.eu 39
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Caractéristique de sortie du MOSFET N
Zone
ohmique
Régime de saturation
G
D
S
choisi :

40. www.geii.eu 40
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Caractéristique de sortie du MOSFET N
Zone
ohmique
Régime de saturation
G
D
S
Modèle du MOSFET en zone ohmique
G
D
S
choisi :

41. www.geii.eu 41
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Caractéristique de sortie du MOSFET N
Zone
ohmique
Régime de saturation
G
D
S
Modèle du MOSFET en régime de
saturation de courant
G
D
S
choisi :

42. www.geii.eu 42
BS170
0V
Utilisation du MOSFET en commutation
On souhaite alimenter une charge
en commutation.
Comment connaître le mode de
fonctionnement du MOSFET ?
 Remplacement par son modèle bloqué :
La tension d’alimentation est de
peut prendre les valeurs et .
0V
Loi des mailles à la sortie :
car .
Donc :
Conclusion : le transistor est bloqué pour et
passant pour .
Le transistor est bloqué.

43. www.geii.eu 43
Utilisation du MOSFET en commutation
La transistor est passant pour . Mais dans quelle zone ?
Pas de courbe donnant dans la datasheet du BS170G  on ne peut pas utiliser
le modèle équivalent en zone ohmique.
Plus simplement.
Lecture du courant maximum que le BS170G peut
fournir en saturation de courant pour :
Expression du courant dans le circuit :
BS170
0V
Maille de sortie :
 Le transistor est en zone ohmique.
Recherche du point de fonctionnement :
est la droite de charge du transistor.

44. www.geii.eu 44
Utilisation du MOSFET en commutation
Résultat
 Point de fonctionnement obtenu
 Puissance dissipée en conduction continue
 Compatibilité avec les spécifications maximales

45. Transistor MOSFET :
comprendre son fonctionnement
Bases de l’électronique
Eric PERONNIN

46. www.geii.eu 46
MOSFET bloqué : approche qualitative
Par construction, le MOSFET possède deux diodes.
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
Substrat et Source reliés  seule une diode subsiste, en inverse
par rapport à .
MOSFET bloqué

47. www.geii.eu 47
MOSFET bloqué : approche qualitative
Augmentation lente de
 charges positives sur côté métal, négatives côté substrat.
Substrat de type P  tant que , la zone entre drain et
source reste de type P
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
+ + + + +
- - - - -
+ + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + +
- - - - -
SiO2
G
+ + + + +
+ + + + +
Substrat
 Comportement d’une diode en inverse :
Capacité
MOS

48. www.geii.eu 48
MOSFET bloqué : approche qualitative
 le MOSFET se comporte comme un interrupteur ouvert pour
.
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat

49. www.geii.eu 49
MOSFET passant en zone ohmique
Lorsque dépasse , un canal riche en électrons libres se
forme.
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
Canal
dans la « zone d’inversion »
 drain et source sont alors séparés par une résistance notée
 un courant peut circuler du drain vers la source.
est appelée tension de
déclenchement.

50. www.geii.eu 50
MOSFET passant en zone ohmique
Silicium P
SiO2
N+
DG
SiO2
S
SiO2
N+
SiO2SiO2
Substrat
Canal
Lorsque continue à croitre, le canal s’enrichit1 en électrons
 sa conductivité augmente2  diminue.
1 : d’où le nom de MOSFET à enrichissement.
2 : sa résistivité diminue.

51. www.geii.eu 51
MOSFET passant en zone ohmique
Le MOSFET fonctionne dans sa zone Ohmique1
 état passant du fonctionnement en commutation.
1 : on parle aussi de zone linéaire ou triode en référence au tube qui a précédé le transistor.
0.000
0.100
0.200
0 0.2 0.4
Pente :

52. www.geii.eu 52
Limite du fonctionnement en zone ohmique
Or
Soit :
Grille
SiO2
Canal
Canal existe ici si  canal existe ici si
DrainSource

53. www.geii.eu 53
Limite du fonctionnement en zone ohmique
Grille
SiO2
DrainSource Canal
Pincement du canal (Pinch-off)
Or
Soit :

54. www.geii.eu 54
Au delà de la zone ohmique
Grille
SiO2
DrainSource Canal
Pincement du canal (Pinch-off)
Si , MOSFET passe dans sa zone de
saturation en courant1 nommée ainsi car à fixée, le courant
n’évolue plus.
1 : également appelée « zone active » ou « zone de pincement ».