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1 Christian Dupaty – Jean Max Dutertre pour l’ EMSE D’après un diaporama origin

1 Christian Dupaty – Jean Max Dutertre pour l’ EMSE D’après un diaporama original de Thomas Heiser Institut d'Electronique du Solide et des Systèmes 2 Paramètres (coeﬃcients) Ne Ns Ampliﬁca6on en puissance Ampliﬁca6on et Filtrage : Condi6onnement Electronique ANALOGIQUE Electronique NUMERIQUE Architecture analogique – numérique – analogique Conver6sseur Analogique Numérique Conver6sseur Numérique Analogique Unité de calcul (DSP , Microcontrôleur, FPGA) 3 Instrumenta.on Robo.que Communica.ons Mul.média Systèmes informa.ques Cartes mémoires … • Pourquoi quelles applica.ons ? 4 Histoire des semi-conducteurs 1904 invention de la Diode par John FLEMING Premier tube à vide. 1904 Triode (Lampe) par L. DE FOREST Musée . C’est un amplificateur d'intensité électrique. 1919 Basculeur (flip-flop) de W. H. ECCLES et F. W. JORDAN .Il faudra encore une quinzaine d'années avant que l'on s'aperçoive que ce circuit pouvait servir de base à l'utilisation électronique de l'algèbre de BOOLE. 1937 Additionneur binaire à relais par G. STIBITZ 1942 Diodes au germanium Le germanium est un semi-conducteur, c'est à dire que "dopé" par des impuretés, il conduit dans un sens ou dans l'autre suivant la nature de cette impureté. Par l'association d'un morceau de germanium dopé positivement (P) et un morceau dopé négativement (N), on obtient une diode qui ne conduit le courant que dans un seul sens. Et les transistors … 5 Le transistor à effet de champ a été inventé en 1925-1928 par J.E. Lilienfeld (bien avant le transistor bipolaire). Un brevet a été déposé, mais aucune réalisation n'a été possible avant les années 60. 1959 : MM. Attala, D. Kahng et E. Labate fabrique le premier transistor à effet de champ (FET) 6 • Parallèlement le premier prototype du transistor bipolaire est fabriqué en 1947 En 1947 : le premier transistor bipolaire En 1957 : le premier CI (Texas-‐Instruments) 7 William Shockley (assis), John Bardeen, and Walter Brattain, 1948. William Shockley 1910-1989 prix Nobel de physique 1956 8 Le premier récepteur radio à transistors bipolaires 9 En 1971 : le premier Processeur 4004 d’INTEL : 15/11/1971 (2250 Transistors Bipolaires, 108 KHz, 4bits) 10 INTEL ITANIUM Tukwila core 2010 processeur IBM POWER7 , INTEL XEON et ITANIUM > 109 Transistors MOS (Nœud technologique = taille de la grille d’un transistor : 22nm) 11 Electronique moléculaire Une molécule comme composant Electronique sur plas.que Les technologies émergentes 12 Mais ça ne se fait pas tout seul... 13 Contenu du cours d ’électronique analogique 1 1. Introduc.on aux semi-‐conducteurs, jonc.on PN 2. Les Diodes 3. Applica.ons des diodes 4. Les Transistors à eﬀet de champ 5. Ampliﬁcateur opéra.onnel 14 ☛ Electronique: composants et systèmes d'applica;on, Thomas L. Floyd, Dunod, 2000 ☛ Microélectronique, Jacob Millman, Arvin Grabel, Ediscience Interna.onal, 1994 ☛ ELECTRONIQUE Fondements et applica.ons DUNOD 2006 ☛ ELECTRONIQUE ANALOGIQUE VALKOV Educalivre 1994 ☛ Comprendre l’électronique par la simulation", Serge Dusausay, Ed. Vuibert ☛ Principes d’électronique", A.P. Malvino, Dunod ☛ Microelectronics circuits", A.S. Sedra, K.C. Smith, Oxford University Press ☛ CMOS Analog Circuit Design", P.E. Allen, D.R. Holberg ☛ Design of Analog CMOS Integrated Circuits", B. Razavi, McGraw Hill Bibliographie 15 LES SEMI-‐CONDUCTEURS Introduction aux semi-conducteurs, la jonction PN I – Matériaux semi-conducteurs. 1 – Introduction. Qu’est ce qu’un semi-conducteur ? Ni un conducteur, ni un isolant. Colonne IVA : Si, Ge. Association IIIA-VA : AsGa, etc. 17 I – Matériaux semi-conducteurs 2 – Modèle des bandes d’énergie. Atome de silicium : le noyau comporte 14 protons – nuage comportant 14 e- Répartition électronique : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 couche de valence : 4 e- 14+ - - - - - - - - - - - - - - Les électrons évoluent sur des orbites stables correspondant à des niveaux d’énergie discrets (séparés les uns des autres). Energie (eV) Niveaux d’énergie électronique d’un atome isolé : 18 I – Matériaux semi-conducteurs Principe d’exclusion de Pauli : deux électrons ne peuvent occuper le même état quantique. En conséquence, si deux atomes identiques sont approchés à une distance de l’ordre de leur rayon atomique les niveaux d’énergie se dédoublent. Dans le cas d’un cristal, la multiplication des niveaux crée des bandes d’énergie permise (quasi-continuum), séparées par des bandes d’énergie interdites (c.-à-d. ne contenant pas d’état stable possible pour les e-). Energie (eV) Niveaux d’énergie électronique de 2 atomes proches : Energie (eV) Niveaux d’énergie électronique d’un cristal : bande permise bande interdite Gap Bande de valence : contient les états électroniques des couches périphériques des atomes du cristal (c.-à-d. les e- de valence, 4 pour le Si) Bande de conduction : bande permise immédiatement supérieure en énergie à la bande de valence. Les e- y sont quasi-libres, ils ont rompus leur lien avec leur atome d’origine, ils permettent la conduction d’un courant. 19 3 – Comparaison isolants, conducteurs, et semi-conducteurs. I – Matériaux semi-conducteurs Classification en fonction de leur résistivité ρ [Ω.m] Isolant : ρ > 106 Ω.m Conducteurs : ρ < 10-6 Ω.m Semi-conducteur : intermédiaire Semi-conducteur Eg ~ 1 eV Isolant Eg ~ qqs eV Conducteur Eg ~ 0 eV Energie (eV) Eg conduction conduction valence Energie (eV) Eg conduction valence Energie (eV) conduction valence 300°K Si Ge AsGa Eg (eV) 1,12 0,66 1,43 20 4 – Le silicium. a. Semi-conducteur intrinsèque (cristal pur). I – Matériaux semi-conducteurs Cristal de silicium : 4 e- de valence Si → association avec 4 atomes voisins pour obtenir 8 e- sur la couche de valence (règle de l’octet, la couche de valence est saturée) : Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si liaison covalente Structure de la maille cristalline : cubique face centrée 21 I – Matériaux semi-conducteurs Création de paires électrons - trous → sous l’action d’un apport d’énergie thermique (par exemple) Energie (eV) Eg b. conduction b. valence Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Le bandgap Eg représente l’énergie minimale nécessaire pour rompre la liaison. Déplacement des e- libres → courant 22 Déplacement des trous : de proche en proche → courant (de charges +) I – Matériaux semi-conducteurs Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Dans un semi-conducteur il existe 2 types de porteurs de charges : • des porteurs négatifs : les électrons de la bande de conduction, • et des porteurs positifs :les trous de la bande de valence. Le phénomène de création de paires e- - trous s’accompagne d’un phénomène de recombinaison (les e- libres sont capturés par les trous, ils redeviennent e- de valence) Durée de vie d’un porteur = temps séparant la recombinaison de la génération. 23 Le cristal est électriquement neutre : I – Matériaux semi-conducteurs € ni = A.T 32.exp −Eg 2kT ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ cm−3 [ ] Concentration intrinsèque de porteurs à l’équilibre thermodynamique : A cste spécifique au matériau [cm-3/K3/2] Eg bandgap [J] k = 1,38.10-23 J/K T température [K] Loi d’action de masse : elle est toujours vérifiée pour un cristal à l’équilibre thermique (qu’il soit intrinsèque ou non). 300°K, Si : 24 I – Matériaux semi-conducteurs Phénomène de transport de charges : • courant de conduction créé sous l’action d’un champ électrique, • courant de diffusion créé par un gradient de concentration de porteurs. → densité de courant [A/cm2] : VT = kT/q = 26 mV à 300°K, potentiel thermodynamique [V] µn,p mobilité [cm2/V.s] Pour le Si µn = 1400 cm2/V.s, µp = 500 cm2/V.s 25 I – Matériaux semi-conducteurs Intérêt des semi-conducteurs : possibilité de contrôler la quantité de porteurs de charges libres (e- et trous) et par conséquent la résistivité. Comment ? → dopage, radiations, température, injection de courant, etc. b. Semi-conducteur extrinsèque de type N (négatif = signe des porteurs de charge majoritaires). Obtenus par dopage = introduction d’atomes du groupe V (cf. classification périodique, 5 e- sur la couche de valence) en lieu et place d’atomes de Si, généralement du phosphore P ou de l’arsenic As. → libération d’un e- libre, les 4 autres se liant aux atomes de Si voisins (atome donneur) : Si Si Si Si Si Si As+ Si Si Si Si Si - Energie (eV) b. conduction b. valence ED As+ : cation fixe 26 I – Matériaux semi-conducteurs Le cristal garde sa neutralité électrique globale (à chaque électron libre donné par les atomes d’impureté correspond un cation fixe). Porteurs de charges : • majoritaires : e- tq n ≈ ND , concentration du dopage, • minoritaires : trous issus de la générations thermique de paires e- - trous tq 27 I – Matériaux semi-conducteurs c. Semi-conducteur extrinsèque de type P (positif = signe des porteurs majoritaires). Obtenus par dopage = introduction d’atomes du groupe III (cf. classification périodique, 3 e- sur la couche de valence) en lieu et place d’atomes de Si, généralement du bore B ou du gallium Ga. → seules trois liaisons covalentes peuvent être créées, la 4ème reste incomplète, un trou est créé pour chaque atome de dopage. Il va pouvoir être comblé par un e- d’une liaison covalente proche (atome accepteur). Energie (eV) b. conduction b. valence EA B- : anion fixe + Si Si Si uploads/Philosophie/ 1-cours-diode-final-2015.pdf