Créée le, 24/05/2005

 Mise à jour le, 28/07/2015

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Transistors à Jonctions par Diffusion :




 

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3. - TRANSISTORS A JONCTIONS PAR DIFFUSION

La technique de la jonction par diffusion consiste essentiellement en une exposition à des vapeurs et en un échauffement modéré du semi-conducteur destiné à la fabrication de ces transistors.

En choisissant convenablement la température du semi-conducteur et en utilisant des matériaux à l'état de vapeur, on obtient qu'un certain nombre d'atomes diffusent dans le réseau cristallin du semi-conducteur et forment une zone de type N ou de type P nettement distincte du reste du semi-conducteur d'origine.

Si, initialement le semi-conducteur est de type P, il faut utiliser à l'état de vapeur des matériaux le rendant de type N et vice versa.

Avec cette méthode, il est possible d'obtenir des bases très minces et de régler leur épaisseur avec une remarquable précision en réglant la température et la durée du procédé de diffusion. De plus, dans les bases ainsi formées, il y a toujours un dégradé de concentration des impuretés qui provoque ainsi l'effet drift.

En réduisant l'épaisseur de la base et en exploitant simultanément l'effet drift, on obtient des transistors pour hautes et très hautes fréquences que l'on utilise dans les récepteurs à modulation de fréquence et dans les téléviseurs à la place des transistors à alliage basés sur l'effet drift. La méthode de la diffusion n'a cependant pas complètement remplacé le procédé par alliage. Même actuellement, certains types de transistors pour hautes fréquences sont obtenus par un procédé qui combine les méthodes par alliage et par diffusion.

Sur la figure 10, on peut voir la constitution interne d'un transistor fabriqué avec la technique mixte de diffusion et alliage.

 TransisDiffusionAlliage

Ces transistors sont parfois désignés par le sigle américain MADT formé des initiales des mots Micro-Alloy Diffused-base Transistor (transistor à micro-alliage avec base obtenue par diffusion).

Voyons brièvement les phases principales de la fabrication de ces transistors.

Au départ, on dispose de tranches obtenues à partir d'un monocristal de germanium P. Elles sont exposées à des vapeurs d'impuretés de manière à former une couche N assez profonde. Puis chaque tranche est divisée en un certain nombre de pastilles et sur chacune d'elles on place deux doses de matériau d'impureté.

Une dose est constituée de matériau qui, en pénétrant dans la couche N obtenue précédemment, la rend partiellement de type P ; l'autre dose doit être constituée de matériau qui laisse inchangées les caractéristiques fondamentales du semi-conducteur N.

En chauffant les matériaux d'impureté à leur température de fusion, il se forme sur la couche N deux processus d'alliage : l'un relatif au premier type de matériau par lequel on obtient la formation d'une couche P sur la couche N de diffusion ; l'autre relatif au second type de matériau par lequel on obtient un simple contact électrique pour la liaison extérieure de cette couche N.

Les processus d'alliage étant terminés, on découpe chaque pastille et on enlève le bord supérieur. On obtient la forme illustrée figure 10-a (voir le schéma ci-dessus).

Le boîtier du transistor (figure 10-b) est rempli de graisse au silicone qui, comme nous l'avons dit précédemment, sert à protéger le dispositif des agents chimiques et des contraintes mécaniques.

Dans d'autres types de transistor, le procédé par alliage a été abandonné et le procédé de diffusion est répété pour la formation de la dernière électrode, c'est-à-dire celle de l'émetteur. Avec cette méthode, on a obtenu les structures fondamentales illustrées figure 11.

TransisDoubleDiffusion

La section d'un transistor à double diffusion du type mesa est reportée figure 11-a. Le nom de ce transistor vient du terme espagnol «mesa» qui signifie plaine ou plateau et qui est utilisé couramment en Amérique pour désigner des hauteurs typiques du désert de Californie et autres régions. Ces hauteurs sont formées de parois plus ou moins à pic se terminant au sommet par une surface plane assez étendue. Le profil du transistor mesa les rappelle un peu, d'où son nom.

La structure reportée figure 11-b rappelle elle aussi le profil du mesa mais diffère de la précédente par le semi-conducteur utilisé (silicium au lieu de germanium), par la succession des couches (NPN au lieu de PNP) et surtout par le partage du collecteur en deux zones superposées (zone à haute résistivité et zone à basse résistivité).

En général, le collecteur est constitué par une seule zone ayant une résistivité assez élevée et uniforme ; donc lorsque le courant de collecteur est proche ou égal à la valeur maximale, il y a une chute de tension et une dissipation de puissance électrique notables. Mais cet inconvénient peut être atténué en réduisant la résistance du collecteur, c'est-à-dire en formant le collecteur avec une couche principale à basse résistivité en la complétant avec une couche à haute résistivité dans la zone de contact avec la base (couche épitaxiale).

La couche épit axiale s'obtient en déposant sur une pastille de semi-conducteur à basse résistivité un autre semi-conducteur du même type mais beaucoup plus pur. Le dépôt doit se former très lentement et dans des conditions de température telles qu'elles permettent une croissance normale du cristal sur le réticule de la pastille.

Par la méthode de la double diffusion, la base et l'émetteur sont formés en laissant libre une couche fine formant le collecteur conjointement avec la zone à basse résistivité.

Avec la technique épit axiale décrite, on fabrique des transistors qui sont utilisés dans les circuits multivibrateurs des ordinateurs et dans d'autres circuits où le transistor doit fonctionner avec le maximum de courant de collecteur.

Examinons brièvement, à présent, une dernière méthode de fabrication des transistors avec le procédé de double diffusion, c'est-à-dire la méthode appelée couramment technique planar.

Cette technique est un procédé plus récent adopté pour la préparation des transistors et elle prévoit uniquement l'emploi du silicium.

Comme son nom l'indique, le transistor planar est constitué d'une surface relativement plane obtenue en diffusant les régions de base et d'émetteur à l'intérieur d'une pastille de silicium qui sert de collecteur.

Pour la préparation d'un transistor planar au silicium, on oxyde superficiellement une pastille de silicium que nous supposons de type N (figure 12-a).

 TechniquePlanar

La couche d'oxyde de silicium constitue la clef du procédé planar. En effet, ce revêtement sert à protéger le matériau contre l'humidité et la poussière, lesquelles pourraient causer une instabilité des jonctions et par conséquent provoquer des anomalies de fonctionnement des transistors. Cette couche empêche également la diffusion d'impuretés dans le matériau pendant le procédé de fabrication.

Sur une face de la pastille, on enlève par attaque chimique une partie de l'oxyde de silicium de manière à découvrir le semi-conducteur d'origine (figure 12-b).

A travers la fenêtre ainsi pratiquée dans le revêtement d'oxyde, on laisse diffuser une certaine quantité de bore dans le monocristal de silicium de conductibilité N.

Le bore est un élément trivalent et l'on obtient ainsi la base de conductibilité P. Puis la surface est de nouveau oxydée, refermant ainsi la fenêtre (figure 12-c).

Avec le même procédé, on pratique ensuite une nouvelle fenêtre plus petite que la précédente (figure 12-d) et à travers celle-ci, on laisse diffuser du phosphore ; on réalise ainsi l'émetteur de conductibilité N. Enfin, la surface est de nouveau oxydée.

Au terme de ces opérations, on obtient trois zones superposées : l'une est constituée par le semi-conducteur d'origine (silicium N), une autre est formée par la première diffusion (silicium P) et une autre est créée par la deuxième diffusion (silicium N).

Avec la même méthode, on pratique ensuite sur la couche d'oxyde deux fenêtres (plus petites que les précédentes) pour la liaisons des électrodes de base et d'émetteur.

Ainsi se termine le cycle de fabrication du transistor planar dont la structure fondamentale est illustrée figure 13.

TransistorPlanar

Pour la préparation d'un transistor au silicium, on peut aussi utiliser une pastille de silicium avec une couche intermédiaire épit axiale comme pour les transistors mesa.

Le procédé de fabrication est semblable à celui adopté pour les transistors planar normaux.

On peut voir la structure d'un transistor planar épitaxial figure 14.

TransisPlanarEpitaxial

Les transistors planar normaux comme ceux avec couche épitaxiale possèdent une excellente réponse aux fréquences élevées avec des caractéristiques optimales de stabilité thermique, un rendement élevé et une grande fiabilité de fonctionnement.

Leurs caractéristiques fondamentales sont semblables à celles des transistors mesa ; ils ont cependant la possibilité de contrôler des puissances supérieures et ils ont des courants de fuite beaucoup plus faibles.

Avec la technique planar, il est possible d'obtenir simultanément un nombre élevé de transistors (deux mille et plus selon le diamètre de la tranche de silicium de départ).

L'aspect que présentent les transistors est très varié, tant pour les formes du boîtier que pour les dimensions.

Les types de transistors les plus communs sont illustrés figure 15 : hautes et ultra-hautes fréquences (figure 15-a), basses fréquences et faibles puissances (figure 15-b). Par contre, quelques exemplaires de transistors de grandes puissances utilisés en basses fréquences, avec boîtier métallique ou plastique, sont représentés figure 15-c.

TypesTransistors

HAUT DE PAGE 4. - MONTAGES FONDAMENTAUX DES TRANSISTORS

En analysant le principe de fonctionnement du transistor monté en base commune, nous avons vu que le courant de collecteur peut être commandé au moyen du courant d'émetteur.

Pour que le transistor fonctionne ainsi, on doit polariser sa jonction émetteur-base en direct et celle collecteur-base en inverse en utilisant deux piles distinctes comme indiqué figure 16-a dans le cas du transistor PNP ou bien comme indiqué figure 16-b dans le cas du transistor NPN.

 PolaPNP_NPN1

En observant ces circuits, on s'aperçoit que l'électrode de la base est commune aux circuits de collecteur et d'émetteur. En effet, en considérant le transistor comme un simple dispositif ayant trois bornes, on voit que le courant de collecteur IC (dans le cas du transistor NPN de la figure 16-b), fourni par la plie B2, parcourt l'électrode du collecteur, pénètre dans le collecteur et doit sortir par l'électrode de base pour retourner au pôle négatif de cette pile. De même, en considérant le circuit d'émetteur, on voit comment le courant d'émetteur fourni par la pile B1 pénètre dans le transistor par l'électrode de la base et sort par celle de l'émetteur.

L'électrode de base est donc parcourue par le courant de collecteur IC et celui d'émetteur IE ; puisque ces deux courants circulent en sens contraire dans cette électrode, le courant effectif de base est donné par leur différence et est très faible (IC étant de peu inférieur à IE).

Cette façon de câbler le transistor est appelée montage base commune car l'électrode de base est commune au circuit d'émetteur comprenant la pile B1 comme au circuit de collecteur comprenant la pile B2.

Habituellement, avec ce type de montage, la base est reliée à la masse, on dit alors que le transistor est monté avec la base à la masse.

Le transistor peut aussi être monté d'une façon différente comme on le voit figure 17-a dans le cas du type PNP ou bien comme illustré figure 17-b dans le cas du type NPN.

TrMontes_emetteur_commun

Dans ce nouveau montage aussi, la jonction émetteur-base est polarisée en direct au moyen de la pile B1 et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse au moyen de la pile B2 qui, cette fois, est reliée non plus entre le collecteur et la base, mais entre le collecteur et l'émetteur.

L'électrode de l'émetteur est donc commune aux circuits de base et de collecteur. Elle est parcourue par le courant de base et par le courant de collecteur comme indiqué figure 17.

Le courant total dans l'émetteur est donné par la somme des deux courants IC et IB ; ceux-ci circulant dans le même sens, on a donc IE = IC + IB.

Par analogie avec le circuit précédent, le montage de la figure 17 est appelé montage émetteur commun ou bien émetteur à la masse puisque dans ce cas l'émetteur est commun au circuit d'entrée (qui est à présent celui de base au lieu de celui d'émetteur) et au circuit de sortie (qui est encore celui de collecteur).

Le fonctionnement du transistor monté en émetteur commun est différent de celui du transistor monté en base commune car à présent le courant de collecteur est commandé par le courant de base.

Il existe un troisième type de montage du transistor : le montage collecteur commun ou collecteur à la masse avec lequel le circuit d'entrée est encore celui de base et le circuit de sortie celui d'émetteur.

4. 1. - POLARISATION DU COLLECTEUR

Dans le montage émetteur commun, la tension de collecteur est appliquée entre le collecteur et l'émetteur avec des polarités telles que la jonction collecteur-base est polarisée en inverse.

Donc si l'on considère un transistor NPN, le pôle positif de la pile est relié au collecteur comme on le voit figure 18.

Tr_emetteur_commun

Dans le circuit, il circule un courant de collecteur qui est appelé ICE0 pour indiquer que ce courant est celui circulant entre le collecteur et l'émetteur lorsque le courant de base est nul (en effet, la base n'est pas reliée et donc, sur sa borne aucun courant ne circule).

Ce courant de collecteur est analogue au courant ICB0 que nous avons vu dans le montage à base commune.

Cependant, ICE0 est beaucoup plus grand que ICB0. Pour comprendre cela, il faut examiner comment la tension VCE de la pile se répartit entre les deux jonctions se trouvant en série.

Imaginons que l'on remplace le transistor par deux diodes à jonction (figure 19-a). L'une, désignée par DCB, représente la jonction collecteur-base et l'autre, désignée par DBE, représente la jonction base-émetteur.

Ces diodes, comme on le voit figure 19-a, sont reliées en série et sont disposées en sens contraire.

RepartitionTension_collecteur 

La jonction collecteur-base est parcourue par le courant ICE0 dans le sens NP, tandis que la jonction base-émetteur est parcourue dans le sens PN.

Plus précisément, la diode DCB est polarisée en inverse tandis que la diode DBE est polarisée en direct.

La tension VCE se répartit alors en deux, c'est-à-dire en une tension VCB aux bornes de la diode DCB et en une tension VBE aux bornes de la diode DBE. 

Pour déterminer l'ordre de grandeur de ces deux tensions, on peut aussi remplacer les deux diodes par leur résistance interne qui, dans ce circuit, ont des valeurs très différentes. En effet, la diode DCB étant polarisée en inverse, présente une résistance inverse Ri de valeur très élevée, tandis que la diode DBE étant polarisée en direct présente une résistance directe Rd de valeur très faible.

Dans le schéma équivalent illustré figure 19-b, Ri et Rd se comportent donc comme un pont diviseur.

Les deux résistances étant parcourues par le même courant ICE0, la tension aux bornes de chacune d'elles est directement proportionnelle à la valeur de ces résistances, donc la valeur de la tension VCB est notablement plus grande que celle de la tension VBE.

Pour prendre un exemple, on peut supposer que Rd soit 200 fois plus petite que Ri. La tension VBE aux bornes de Rd sera alors 200 fois plus petite que la tension VCB aux bornes de Ri. 

(Nous reportons le même schéma ci-dessus afin de mieux faciliter la lecture, à savoir figure 19).

 RepartitionTension_collecteur

On peut voir ainsi que la tension de la pile n'est pas entièrement appliquée à la jonction collecteur-base, mais qu'une petite partie de cette tension est localisée aux bornes de la jonction base-émetteur de manière à la polariser en direct. Il y a donc de la part de l'émetteur, émission d'une certaine quantité d'électrons qui diffusent dans la base et qui atteignent en grande partie le collecteur.

Le courant de collecteur ne sera pas alors seulement constitué du courant ICB0, mais aussi du courant dû à l'émission d'électrons de la part de l'émetteur.

Pour connaître l'expression de ICE0 en fonction de ICB0, il suffit d'utiliser la formule déjà vu dans le montage base commune, c'est-à-dire IC = IE + ICB0.

Dans le cas présent, IC = IE = ICE0. Il en résulte que :

ICE0 = ICE0 + ICB0

ICE0 (1 - ) = ICB0

soit ICE0 = 1 / (1 - ) x ICB0

Pour avoir une idée du rapport qui existe entre ICE0 et ICB0, supposons que soit égal à 0,98 et que ICB0 val 5 µA. On obtient alors ICE0 = 250 µA, c'est-à-dire que ICE0 est 50 fois plus grand que le courant ICB0 obtenu avec le même transistor monté en base commune.

La valeur 1 / (1 - ) dépend évidemment de la valeur du transistor considéré et est d'autant plus grande que est proche de 1.

Les valeurs de ICB0 et de ICE0 reportées précédemment sont données à titre indicatif et relatives à des transistors au germanium.

Dans le cas de transistors au silicium par contre, le courant ICB0 est généralement un millier de fois plus petit et le courant ICE0 reste négligeable bien qu'étant donné par la même formule.

4. 2. - POLARISATION DE LA BASE ET COEFFICIENT D'AMPLIFICATEUR

Dans le montage émetteur commun, le courant du circuit d'entrée est le courant de base IB et le courant du circuit de sortie est le courant de collecteur IC.

En augmentant la tension de polarisation VBE de la base, on augmente le courant de base IB et on accroît proportionnellement le courant de collecteur IC. En d'autres termes, le courant IC est commandé par le courant IB.

On peut définir ainsi comme coefficient d'amplification de courant le rapport entre le courant de collecteur IC (diminué du courant résiduel ICE0) et le courant de base IB. Ce coefficient appelé bêta (deuxième lettre de l'alphabet grec dont le symbole est ) est donné par la formule :

= IC - ICE0 / IB

En pratique cependant, la valeur de ICE0 est très faible par rapport à IC, donc négligeable.

La valeur du coefficient peut être déterminée par le simple rapport entre IC et IB et on peut donc écrire :

= IC / IB

Pour avoir une idée de la valeur du coefficient présentée par les transistors, il faut se rappeler que le courant de base IB est donné par la différence entre IE et IC et que le courant d'émetteur IE est de peu supérieur au courant de collecteur IC.

On en déduit que le courant de base IB doit avoir une valeur très petite par rapport à IC.

Les valeurs de doivent donc être très grandes et non plus inférieure à 1, comme c'est le cas pour les coefficients . Exprimons en fonction de .

Nous savons que :

    IC = IE + ICB0

         = IE + (1 - ) ICE0

         = (IB + IC) + (1 - ) ICE0

d'où   IC (1 - ) = IB + (1 - ) ICE0

          (1 - ) (IC - ICE0) = IB

soit   IC - ICE0 / IB = / (1 - )

d'où    = / ( - 1)

Cette formule permet donc de calculer le coefficient d'amplification lorsque l'on connaît le coefficient d'amplification .

Par exemple pour un transistor qui a un coefficient = 0,98 on aura, avec le montage émetteur commun, un coefficient d'amplification égal à :

= 0,98 / (1 - 0,98) = 0,98 / 0,02 = 49

Nous voyons donc que , à l'opposé de , est beaucoup plus grand que 1. Cela explique la grande différence qui existe entre les deux types de montages (à savoir, base commune et émetteur commun).

Dans le cas du montage émetteur commun, il suffit d'un faible courant de base pour provoquer une augmentation notable du courant de collecteur. En effet, le courant de collecteur, qui en l'absence de polarisation de la base (IB = 0), a la valeur ICE0 (courant résiduel), augmente d'une valeur égale à fois la valeur du courant que l'on fait circuler dans la base.

Le courant de collecteur est donné par la formule IC = IB + ICE0, soit en négligeant ICE0 : IC = IB.

Les valeurs de que l'on rencontre en pratique pour les transistors de faible et moyenne puissance, tels ceux utilisés dans les récepteurs de radio, s'échelonnent de 20 à 600 selon les types.

Il est important de noter que les coefficients d'amplification et   sont uniquement relatifs au fonctionnement statique (en courant continu) des deux circuits considérés (respectivement à base commune et à émetteur commun).

Si l'on applique un signal à l'entrée des deux circuits, ces deux coefficients d'amplification sont désignés par un autre symbole et prennent des valeurs différentes.

4. 3. - COMPARAISON ENTRE LES DEUX TYPES DE MONTAGES

Nous avons vu que le transistor présente un plus grand gain en courant dans le cas du montage émetteur commun que dans celui du montage base commune et qu'on obtient un courant de collecteur élevé avec un courant de base relativement faible.

Pour fixer les idées, on peut remarquer qu'un transistor préamplificateur de basse fréquence monté en émetteur commun a un courant d'entrée de base de l'ordre de quelques dizaines de microampères, tandis que pour le même transistor monté en base commune, le courant d'entrée (d'émetteur) est de l'ordre de quelques milliampères.

Considérons maintenant le gain en puissance, celui-ci étant défini par le rapport de la puissance fournie dans le circuit du collecteur et celle fournie dans le circuit de la base.

Le gain en puissance est plus grand pour un montage en émetteur commun que pour un montage en base commune mais par contre le courant résiduel est plus important dans le premier montage.

HAUT DE PAGE 5. - TRANSISTORS NPN, PNP ET LEURS SYMBOLES GRAPHIQUES

Dans les schémas donnés jusqu'à présent, on a toujours représenté le transistor au moyen de trois rectangles symbolisant les trois zones de semi-conducteurs dont il est constitué.

Dans les schémas électriques des appareils à transistors, on a l'habitude par contre de représenter le transistor par un symbole graphique indiquant également, de façon conventionnelle, le type du transistor, c'est-à-dire s'il est NPN ou PNP.

Parmi les nombreux symboles graphiques utilisés dans le passé, ceux reportés figure 20 se sont progressivement généralisés.

Symboles_transistors

Dans ces symboles, la ligne verticale épaisse représente les zones de semi-conducteur d'où partent les trois électrodes.

Sur le côté gauche, la petite ligne horizontale représente l'électrode de base ; sur le côté droit, les deux petites lignes inclinées représentent les électrodes d'émetteur et de collecteur.

Pour différencier l'émetteur du collecteur, sur le premier, on dessine une flèche dont le sens a aussi pour rôle d'indiquer s'il s'agit d'un transistor NPN ou d'un transistor PNP.

Le choix du sens de la flèche a été fait de manière que cette dernière signale le sens dans lequel circule le courant direct de la jonction base-émetteur.

Donc, en se rappelant qu'une jonction conduit dans le sens PN, il est facile d'établir que la flèche est orientée vers l'extérieur (c'est-à-dire de la base de type P à l'émetteur de type N) dans le cas du transistor NPN, tandis que dans le cas du transistor PNP, cette flèche est dirigée vers l'intérieur (c'est-à-dire de l'émetteur de type P vers la base de type N).

Pour rappeler les polarités des tensions à appliquer aux transistors dans les cas des montages base commune et émetteur commun pour le type NPN comme pour le type PNP, les schémas relatifs aux quatre cas possibles ont été réunis figure 21.

 Polarites_des_transistors

a) - montage base commune-transistor NPN (figure 21-a) :

  • Tension de collecteur VCB : positive 

  • Tension d'émetteur VEB : négative

b) - montage base commune-transistor PNP (figure 21-b) :

  • Tension de collecteur VCB : négative

  • Tension d'émetteur VEB : positive

c) - montage émetteur commun-transistor NPN (figure 21-c) :

  • Tension de collecteur VCE : positive

  • Tension de base VBE : positive

d) - montage émetteur commun-transistor PNP (figure 21-d) :

  • Tension de collecteur VCE : négative

  • Tension de base VBE : négative

D'après ces schémas, on peut noter que la tension de collecteur est toujours positive dans le cas de transistors NPN et négative dans le cas de transistors PNP tandis que la tension de l'électrode de commande (émetteur et base respectivement dans les deux types de montage) est de polarité contraire à celle du collecteur dans le montage base commune et est de même polarité que celle du collecteur dans le montage émetteur commun.

Dans la prochaine leçon, nous examinerons la suite des transistors ainsi la continuité des montages de cette leçon mais avec d'autres composants associés. (Semi-conducteurs 5).

 



 

  




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