🔬 Étude et Modélisation des Composants Actifs - Semestre 7

Année Universitaire : 2023-2024
Semestre : 7
Crédits : 2.5 ECTS
Spécialité : Électronique Analogique


PART A - Présentation Générale du Module

Vue d'ensemble

Ce cours approfondit l’étude des composants électroniques actifs (transistors bipolaires, MOSFETs, amplificateurs opérationnels) en analysant leur physique interne, leurs modèles mathématiques et leur comportement en régime statique et dynamique. Il permet de passer d’une utilisation superficielle des composants à une compréhension fine de leurs performances et limitations.

Objectifs pédagogiques :

Position dans le cursus

Ce module s’appuie sur :

Il prépare à :


PART B - Expérience Personnelle et Contexte d’Apprentissage

Organisation et ressources

Le module était structuré en cours magistraux et travaux dirigés avec manipulations :

Cours magistraux (18h) : Divisés en 5 parties thématiques (Slides_EMCA_2020-2021_1 à 5) :

Travaux dirigés (12h) :

Évaluations :

Outils utilisés :

Méthodologie d'étude

Phase 1 : Compréhension physique : Étudier la structure interne du composant (jonctions, dopage, canaux) pour comprendre d’où viennent les équations.

Phase 2 : Modélisation mathématique : Maîtriser les équations dans les différents régimes (blocage, actif, saturation pour BJT ; bloqué, linéaire, saturation pour MOS).

Phase 3 : Analyse graphique : Tracer et interpréter les caractéristiques statiques (IC vs VCE, ID vs VDS) pour visualiser les régimes.

Phase 4 : Petit signal : Linéariser autour du point de fonctionnement et utiliser les modèles équivalents petit signal pour calculer gains et impédances.

Phase 5 : Simulation : Valider les calculs analytiques avec SPICE, comparer avec les résultats expérimentaux.

Difficultés rencontrées

Équations non-linéaires : Les équations de Shockley et des transistors sont exponentielles (BJT) ou quadratiques (MOS). Résoudre graphiquement ou itérativement demande de la pratique.

Régimes de fonctionnement : Identifier dans quel régime se trouve le transistor nécessite de vérifier plusieurs conditions (VBE, VCE pour BJT ; VGS, VDS pour MOS). Erreur fréquente au début.

Modèles petit signal : Comprendre quand et comment linéariser, calculer les paramètres dynamiques (gm, rπ, ro) à partir du point de repos.

Écarts théorie/pratique : Les modèles simples (Ebers-Moll, quadratique MOS) donnent des résultats approximatifs. Les effets de second ordre (Early, modulation de canal, température) expliquent les différences.


PART C - Aspects Techniques Détaillés

1. Physique des semi-conducteurs

Semi-conducteur intrinsèque :

Matériau pur (silicium, germanium) avec concentration égale d’électrons et de trous.

À température ambiante :

Dopage :

Ajout d’impuretés pour augmenter la conductivité.

Type Impureté Porteurs majoritaires Exemple
N Phosphore, Arsenic (5 électrons) Électrons Donneur d’électrons
P Bore, Aluminium (3 électrons) Trous Accepteur d’électrons

Jonction PN :

Interface entre zone P et zone N créant :

Polarisation :

2. Transistor bipolaire (BJT)

Structure :

Trois couches de semi-conducteurs : NPN (ou PNP symétrique).

Principe de fonctionnement :

Deux jonctions PN en série :

Les électrons injectés de l’émetteur traversent la base fine et sont collectés par le collecteur.

Courants et relations :

Courant collecteur : IC = β × IB

avec β (gain en courant) typiquement 50 à 300.

Courant émetteur : IE = IC + IB ≈ IC (car β grand)

Équation de Shockley :

IC = IS × exp(VBE / VT)

avec :

Régimes de fonctionnement :

Régime Jonction BE Jonction BC Application
Bloqué Inverse Inverse Interrupteur OFF
Actif Directe Inverse Amplification
Saturation Directe Directe Interrupteur ON
Actif inverse Inverse Directe Rarement utilisé

Mode actif (amplification) :

Mode saturation (commutation ON) :

3. Modèle petit signal du BJT

Principe :

Linéariser autour du point de repos (Q) pour analyser les variations de signaux de faible amplitude.

Paramètres dynamiques :

Transconductance : gm = IC / VT ≈ 40 × IC (mA)

Exemple : IC = 1 mA → gm = 40 mS

Résistance d’entrée dynamique : rπ = β / gm

Exemple : β = 100, gm = 40 mS → rπ = 2.5 kΩ

Résistance de sortie (effet Early) : ro = VA / IC

avec VA (tension d’Early) typiquement 50 à 150V.

Modèle équivalent petit signal :

Entre base et émetteur : rπ en parallèle avec Cπ (capacité BE) Source de courant contrôlée : gm × vbe Résistance de sortie : ro entre collecteur et émetteur Capacité Miller : Cμ entre base et collecteur

4. Transistor MOS (MOSFET)

Structure :

Transistor à effet de champ à grille isolée (oxyde).

Composants :

Types :

Principe de fonctionnement :

Tension VGS crée un champ électrique qui attire ou repousse les porteurs sous la grille, formant un canal conducteur entre source et drain.

Tension de seuil (VTH) :

Tension minimale VGS pour créer le canal.

Typiquement :

Régimes de fonctionnement :

Régime Condition Équation ID
Bloqué VGS < VTH ID = 0
Linéaire (triode) VGS > VTH, VDS < VGS - VTH ID ∝ VDS (résistance contrôlée)
Saturation VGS > VTH, VDS ≥ VGS - VTH ID constant (source de courant)

Région linéaire :

Le transistor se comporte comme une résistance contrôlée en tension.

ID = K × [(VGS - VTH) × VDS - VDS² / 2]

avec K = μn × Cox × W/L

Région de saturation :

Le transistor est une source de courant contrôlée en tension.

ID = (K / 2) × (VGS - VTH)² × (1 + λ × VDS)

avec λ (coefficient de modulation de canal) « 1.

Paramètres technologiques :

Paramètre Description Valeur typique
μn Mobilité électrons 500 cm²/Vs
μp Mobilité trous 200 cm²/Vs
Cox Capacité d’oxyde de grille 3-10 fF/μm²
W/L Rapport géométrique 1 à 100
VTH Tension de seuil 0.5-1V
λ Modulation de canal 0.01-0.1 V⁻¹

Rapport W/L :

Plus W/L est grand, plus le courant ID est élevé pour un VGS donné.

Dimensionnement typique :

5. Modèle petit signal du MOSFET

Paramètres dynamiques :

Transconductance : gm = 2 × ID / (VGS - VTH)

ou

gm = racine(2 × K × ID)

Résistance de sortie : ro = 1 / (λ × ID)

Typiquement 10 kΩ à 100 kΩ.

Modèle équivalent petit signal :

Grille : haute impédance (pratiquement infinie en DC, capacités en AC) Source de courant : gm × vgs Résistance de sortie : ro entre drain et source Capacités parasites : Cgs, Cgd, Cdb

6. Configurations d'amplification

Trois configurations de base pour BJT et MOS :

Émetteur commun (EC) / Source commune (SC) :

Caractéristique Valeur typique
Gain en tension Av = -gm × RC (élevé, 10-100)
Impédance d’entrée Moyenne (BJT : rπ, MOS : infinie DC)
Impédance de sortie Moyenne (RC // ro)
Déphasage 180° (inversion)
Application Amplification général usage

Base commune (BC) / Grille commune (GC) :

Caractéristique Valeur typique
Gain en tension Av = gm × RC (positif)
Impédance d’entrée Faible (1/gm ≈ 25Ω pour BJT)
Impédance de sortie Élevée
Déphasage 0° (pas d’inversion)
Bande passante Très large (pas d’effet Miller)
Application Amplificateur RF, adaptation d’impédance

Collecteur commun (CC) / Drain commun (DC) (suiveur) :

Caractéristique Valeur typique
Gain en tension Av ≈ 1 (suiveur)
Impédance d’entrée Très élevée
Impédance de sortie Très faible (1/gm)
Déphasage
Application Buffer, adaptation d’impédance

7. Polarisation des transistors

Objectif :

Fixer le point de repos Q (IC0, VCE0 pour BJT ; ID0, VDS0 pour MOS) pour permettre l’amplification du signal.

Polarisation par pont de base (BJT) :

Circuit classique avec 4 résistances : R1, R2 (diviseur de tension base), RC (collecteur), RE (émetteur).

Étapes de calcul :

  1. Calculer VB = VCC × R2 / (R1 + R2)
  2. Calculer VE = VB - 0.7V
  3. Calculer IE = VE / RE
  4. Calculer IC ≈ IE
  5. Calculer VCE = VCC - RC × IC - RE × IE

Polarisation par source de courant (MOS) :

Utiliser un transistor MOS en saturation comme source de courant pour polariser un autre transistor.

Stabilité thermique :

Résistance d’émetteur RE ou résistance de source RS permettent de stabiliser le point de repos contre les variations de température.

8. Amplificateur différentiel

Structure :

Paire de transistors appariés avec source de courant commune.

Signaux :

Gains :

Gain différentiel : Ad = gm × RC

Gain de mode commun : Acm ≈ -RC / (2 × RE) (très faible si RE grand)

Taux de réjection de mode commun (CMRR) :

CMRR = Ad / Acm

En dB : CMRR_dB = 20 × log(Ad / Acm)

Typiquement 60-100 dB pour un bon ampli différentiel.

Applications :

9. Miroir de courant

Principe :

Copier (recopier) un courant de référence vers une ou plusieurs branches.

Miroir simple MOS :

Deux transistors NMOS avec grilles connectées :

Si W2/L2 = W1/L1 alors IOUT = IREF.

Avantages :

Miroir de Wilson :

Version améliorée avec meilleure précision et résistance de sortie plus élevée.

Applications :

10. Effets de second ordre

Effet Early (BJT) :

Modulation de la largeur de base par VCE. Lorsque VCE augmente, la zone de déplétion de la jonction BC s’élargit, réduisant la largeur effective de la base.

Conséquence : IC augmente légèrement avec VCE (pente non nulle dans la zone active).

Modèle : IC = IS × exp(VBE / VT) × (1 + VCE / VA)

Tension d’Early VA : typiquement 50-150V.

Impact : résistance de sortie finie ro = VA / IC.

Modulation de canal (MOS) :

En saturation, l’augmentation de VDS réduit la longueur effective du canal (le point de pincement se déplace vers la source).

Conséquence : ID augmente légèrement avec VDS.

Modèle : ID = (K/2) × (VGS - VTH)² × (1 + λ × VDS)

Coefficient λ : typiquement 0.01 à 0.1 V⁻¹.

Impact : résistance de sortie finie ro = 1 / (λ × ID).

Effets thermiques :

BJT :

MOS :

Effets capacitifs :

Capacités parasites limitent la bande passante :

Fréquence de transition fT : fréquence où le gain en courant tombe à 1.

fT = gm / (2π × (Cπ + Cμ)) pour BJT

fT = gm / (2π × (Cgs + Cgd)) pour MOS

11. Modèles de simulation SPICE

Modèle Ebers-Moll (BJT) :

Modèle basique avec deux diodes et deux sources de courant contrôlées. Suffisant pour analyses simples.

Modèle Gummel-Poon (BJT) :

Modèle avancé incluant :

Standard pour simulation précise.

Modèle Level 1 (MOS) :

Modèle simple, équations quadratiques. Utilisé pour enseignement.

Modèle BSIM (Berkeley Short-channel IGFET Model) :

Modèle industriel standard pour technologies submicroniques.

Versions : BSIM3, BSIM4, BSIM-CMG (FinFET).

Paramètres extraits de mesures sur silicium (plusieurs centaines de paramètres).

Inclut : effets de canal court, effets quantiques, effets de substrat, dépendances géométriques.

Utilisation en simulation :

Fichier de modèle fourni par le fondeur (.lib) contenant les paramètres SPICE des transistors pour une technologie donnée (ex : 65nm, 28nm).

12. Caractérisation expérimentale

Mesures statiques (courbes I-V) :

BJT :

MOS :

Mesures dynamiques :

Transconductance gm :

Mesurer la variation de IC (ou ID) pour une petite variation de VBE (ou VGS) autour du point de repos.

gm = ΔIC / ΔVBE (à VCE constant)

Fréquence de transition fT :

Mesurer le gain en courant en fonction de la fréquence. fT est la fréquence où le gain vaut 1 (0 dB).

Capacités parasites :

Mesures avec pont d’impédance ou analyseur de réseau vectoriel.

13. Technologies avancées

MOSFET de puissance :

Structure verticale (VDMOS, UMOS) pour augmenter la tenue en tension et le courant.

Paramètre clé : RDSon (résistance drain-source à l’état passant). Plus faible = moins de pertes.

Applications : alimentations à découpage, onduleurs, variateurs de vitesse.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) :

Hybride BJT + MOSFET : commande en tension (grille MOS) + conduction bipolaire (faible chute de tension).

Applications : traction électrique, énergie renouvelable, soudage.

Composants grand gap (GaN, SiC) :

Matériaux semi-conducteurs avec gap plus large que Si :

Applications : électronique de puissance haute performance, véhicules électriques, datacenters.


PART D - Analyse Réflexive et Perspectives

Compétences acquises

Compréhension physique : Capacité à expliquer le fonctionnement des transistors depuis les bases physiques (jonctions, dopage, porteurs) jusqu’aux modèles mathématiques.

Modélisation et calcul : Maîtrise des équations des transistors, identification des régimes de fonctionnement, calcul de points de repos et de paramètres petit signal.

Analyse de circuits : Aptitude à analyser des circuits d’amplification et de polarisation, calculer gains, impédances, bande passante.

Simulation : Utilisation efficace de SPICE avec modèles avancés, interprétation des résultats, comparaison théorie/simulation.

Caractérisation expérimentale : Techniques de mesure des caractéristiques statiques et dynamiques, extraction de paramètres, validation de modèles.

Points clés à retenir

1. Régimes de fonctionnement : Toujours identifier dans quel régime travaille le transistor (bloqué, actif/saturation, saturation/linéaire). Les équations changent selon le régime.

2. Petit signal vs grand signal : Modèles petit signal valables seulement pour petites variations autour du point de repos. Pour grands signaux, utiliser les équations non-linéaires complètes.

3. Effets de second ordre : Modèles simples (Ebers-Moll, quadratique MOS) donnent des approximations. Effets Early, modulation de canal, température expliquent les écarts.

4. BJT vs MOS :

5. Simulation ≠ réalité : Les simulations sont aussi bonnes que les modèles utilisés. Toujours valider par l’expérience, surtout pour les performances critiques.

Retour d'expérience

Courbe d’apprentissage : Le cours nécessite une bonne base en mathématiques et physique. La physique des semi-conducteurs est abstraite au début mais devient claire avec les exemples concrets.

Importance des TD : Les exercices de TD (5 séries avec corrections) sont essentiels pour maîtriser les calculs de polarisation, les modèles petit signal, et les applications MOS. Refaire les TD avant l’examen est crucial.

Annales précieuses : Les annales d’examens (2015-2023) permettent de se familiariser avec le type de questions posées (calculs de point de repos, modèles petit signal, identification de régimes).

Lien théorie/pratique : Les TP de caractérisation ont montré les écarts entre modèles idéaux et composants réels (dispersion des paramètres, effets parasites). Cela développe l’esprit critique.

Applications pratiques

Conception analogique :

Circuits intégrés :

Électronique de puissance :

Instrumentation :

Limites et ouvertures

Limites du cours :

Ouvertures vers :

Évolutions technologiques

Miniaturisation :

Loi de Moore (doublement du nombre de transistors tous les 18-24 mois) continue mais ralentit.

Technologies actuelles : 3nm, 5nm (TSMC, Samsung).

Défis : effets quantiques, fuites de courant, dissipation thermique.

Technologies émergentes :

FinFET : transistor 3D avec grille enrobant le canal sur trois côtés. Meilleur contrôle du canal, moins de fuites.

GAA (Gate-All-Around) : prochaine génération après FinFET. Grille entoure complètement le canal.

FD-SOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) : alternative aux FinFET avec meilleure efficacité énergétique.

Composants grand gap :

GaN (Nitrure de Gallium) et SiC (Carbure de Silicium) révolutionnent l’électronique de puissance et RF haute fréquence.

Intégration 3D :

Empilement de puces pour augmenter densité et performance (HBM pour mémoires, chiplets AMD/Intel).

Conseils pour réussir

1. Maîtriser les bases physiques : Comprendre le fonctionnement interne aide à retenir les équations et à résoudre les problèmes.

2. Pratiquer les calculs : Refaire tous les TD plusieurs fois jusqu’à maîtriser les méthodes (polarisation, petit signal, identification régimes).

3. Utiliser SPICE : Simuler les exercices pour vérifier les calculs et explorer l’impact des paramètres.

4. Travailler les annales : Les examens suivent des schémas récurrents. S’entraîner sur les annales 2015-2023 pour anticiper les questions.

5. Comprendre les ordres de grandeur : Savoir qu’un VBE typique est 0.7V, un gm de 40 mS pour 1 mA, un β de 100, un VTH de 0.7V aide à détecter les erreurs de calcul.

Conclusion

Ce module est fondamental pour tout ingénieur en électronique. Il permet de passer d’une utilisation “boîte noire” des transistors à une compréhension profonde de leur physique, modélisation et limitations.

Compétences transférables :

Pertinence professionnelle : La maîtrise des composants actifs est indispensable en conception de circuits analogiques, RF, et puissance. Les compétences acquises sont directement applicables en R&D et en bureau d’études.

Message principal : Les transistors sont les briques de base de toute l’électronique moderne. Comprendre leur fonctionnement intime permet de concevoir des circuits performants, robustes et optimisés.

Recommandations :

Liens avec les autres cours :


📚 Documents de Cours

📖 Cours Complet EMCA 2023-2024

Cours complet d'étude et modélisation des composants actifs : diodes, BJT, MOSFET et amplificateurs.

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📖 Chapitre 1 - Diodes

Modélisation physique et électrique des diodes : jonction PN, caractéristique I-V, modèles petits signaux.

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📖 Chapitre 2 - Transistors Bipolaires

Étude des transistors BJT : principe de fonctionnement, modèles Ebers-Moll et hybride-π, polarisation.

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Cours suivi en 2023-2024 à l’INSA Toulouse, Département Génie Électrique et Informatique.