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Transistors

Objet

Cette fiche couvre les matériaux et les technologies des transistors. Les applications sont classées en 3 grandes familles qui couvrent les principales gammes de fréquence et de puissance. Le document apporte des informations d'impacts environnementaux afin de guider les concepteurs dans la sélection de règles d'écoconception (cf. fiches opérationnelles).

1. Rappel technologique

1.1. Les matériaux de base.

TechnologiesAvantagesInconvénientsApplicationsRessourcesStatu
Silicium (Si)

Principales·     technologiesFaible cout

·     Technologie mature

·     Facile à produire

·     Facile à intégrer

·     Mobilité électronique des porteurs limitée

·     Performances moyennes en RF et puissance

·     Processeurs

·     ASIC, FPGA

·     Mémoires

·     Composants actifs

·     Electronique grand public

·     Très abondant

·     Filière de recyclage développe

·     Fabrication énergivore mais optimisée

Mature (standard mondial)
Germanium (Ge)

·     Haute mobilité des porteurs

·     Bonnes performances basse tension

·     Faible bande interdite résultant en de forts courants de fuite

·     Matériau couteux

·     Photodétecteurs,

·     Photovoltaïque

·     Optoélectronique (fibre optique)

·     Sous-produit de la métallurgie du Zinc

·     Ressource relativement rare

Applications niches
Silicium-Germanium (SiGe)

·     Combine les avantages de Si et Ge : rapide, compatible CMOS, performances RF

·     Procédé de fabrication plus complexe,

·     Cout plus élevé

·     Amplificateur RF,

·     Radar,

·     Circuits analogiques rapides

·     Ge Ressource relativement rare, mais très faible quantité utilisée

Bien établi
Arséniure de Gallium (GaAs)

·     Très forte mobilité des porteurs

·     Très bonnes performances en fréquence

·     Fragile

·     Cout élevé à produire

·     Amplificateur RF

·     Satellites et télécommunication

·     Spatial

·     Ga sous-produit de l’aluminium

·     As très toxique

·     Recyclage limité

Mature pour la RF
Phosphure d’Indium (InP)

·     Performant aux très hautes fréquences

·     Optoélectronique

·     Très couteux

·     Fabrication complexe

·     Télécom optique

·     Laser

·     Militaire

·     In sous-produit de la métallurgie du Zinc

·     Peu recyclé enfin de vie

Niche haute performance
Nitrure de Gallium (GaN)

·     Haute tension

·     Haute fréquence

·     Faible résistance à l’état passant

·     Haute température

·     Croissance cristalline complexe

·     Cout élevé

·     Chargeurs rapides

·     Alimentations

·     Radars

·     Automobiles électriques

·     Ga critique, mais faible quantité utilisée

Forte croissance
Carbure de Silicium (SiC)

·     Très haute tension

·     Faibles pertes,

·     Tenue en température

·     Couteux à fabriquer

·     Usinage difficile

·     Véhicules électriques

·     Réseaux électriques

·     Ferroviaire

·     Solaire

·     Très abondant

·     Fabrication énergivore

·     Longue durée de vie

Forte croissance

1.2. Les grandes familles de transistors pas gammes d'application.

On peut distinguer 3 grands types d'application: les circuits basses fréquences et faibles puissances, les alimentations et circuits de puissance et les circuits radiofréquence

1.2.1. Les circuits petits signaux, puissance moyenne fréquences moyennes à haute

Famille

Gamme de fréquence

Gamme de puissanceApplications typiques

BJT Si

DC à qq10 MHz

mW à 1W

Amplification analogique, instrumentation, commutation logique, oscillateurs

JFET Si

DC à 100kHz

mW à qq100mW

Instrumentation basse fréquence (préamplificateurs faible bruit), Applications analogiques spécialisées

MOSFET Si

DC à 4GHz

mW à qq100W

Instrumentation, Logique (CPLD, FPGA, microcontrôleurs, processeurs, électronique grand public

Pour la basse puissance, les leviers d’écoconception sont :

  • L’optimisation des architectures
  • La mutualisation de certaines fonctions lorsque cela est possible (ADC multi-entrées avec multiplexeur intégré)
  • Limiter les étages d’amplification. Les Convertisseurs Analogiques-Numériques présentent des résolutions importantes qui permettent de s’adapter à de larges gammes de signaux d’entrée
  • Limiter les fréquences de commutation des circuits logique pour limiter les pertes
  • Limiter les tensions d’alimentation
  • Mettre en œuvre les modes de veille lorsque cela est possible
  • Adapter le choix du transistor au besoin :
mémoires & de PA
Technologie

Critère

 Avantages

MOSFET

 Inconvénients

BJT

 Applications

JFET
MOSFET Si
NMOS / PMOS / CMOS
  • Technologie mature, faible coût, grande disponibilité
  • Haute densité d'intégration (nœuds sub-7 nm)
  • Faible courant

    Courant de fuite en technologie CMOS

  • Excellent support EDA & PDK
commande

    Très

  • VBR limité (~1000 V max), Ron élevé en forte tension
  • Effets de canal court sous 5 nm (variabilité)
  • Sensible à la température (mobilité ↓ si T ↑)
  • Faible performance en RF haute fréquence
faible

    Plus

  • SoC,élevé

    microprocesseurs,
 (DRAM,

Quasi Flash)

  • Logique numérique générale
  • Convertisseurs DC-DC basse tension (< 200 V)
  • Drivers de puissance faible/moyenne
    • nul
    BJT
    NPN /

    Consommation PNP
    • Fort gain en courant (hFE élevé)
    • Faible bruit en entrée (1/f bas)
    • Bonne tenue aux surcharges thermiques transitoires
    • Excellent en amplification linéaire
    statique

      Très

    • Commande en courant (base) → dissipation accrue
    • Lenteur relative (stockage de charges en saturation)
    • Intégration moins dense que MOSFET
    • Sensible aux phénomènes de second claquage
    faible

      Plus

    • Amplificateursimportante

      audio
    		 RF

    Très faible bruit (LNA)

  • Étages de sortie analogiques
  • Régulateurs linéaires (LDO)
  • Circuits de référence de tension (bandgap)

    		•
    IGBT
    Insulated Gate BJT
    • Tenue en tension élevée (600 V – 6,5 kV)
    • Faible VCE(sat) → bonnes pertes en conduction
    • Commande tension (grille MOS), faible énergie pilotage
    • Disponible en modules haute puissance

    Bruit
    • Fréquence de commutation limitée (≤ 100 kHz typique)
    • Courant de queue (tail current) à l'ouverture
    • Pas de fonctionnement en quadrant inverse sans diode antiparallèle
    • Lent face au SiC-MOSFET pour f > 50 kHz

    Bon

      Bon

    • Onduleurs
    		 moteur (variateurs, traction)
  • Convertisseurs industriels (UPS, soudure)
  • Chaînes de traction EV (600–1200 V)
  • SMPS moyenne puissance (≤ 50 kHz)

    • Excellent
    GaAs MESFET
    /

    Robustesse HEMT
    pHEMT, mHEMT
    • Très haute mobilité électronique → fréquences de coupure élevées (fT > 300 GHz)
    • Faible bruit de phase et NF (noise figure)
    • Bonne linéarité en RF/micro-ondes
    • Fort rapport puissance/surface en mmWave
    ESD

      Plus

    • Substrats coûteux et fragiles
    • Intégration numérique limitée
    • Technologie difficile à industrialiser à grande échelle
    • Tension de claquage modérée
    sensible

      Bonne

    • LNA,
    		 et MMIC pour 5G (sub-6 GHz, mmWave)
  • Radar (automobile, météo, militaire)
  • Liaisons satellite et VSAT
  • Instrumentation RF (analyseurs de réseau)

    • Moyenne
    GaN HEMT
    GaN-on-Si

    Applications / SiC
    • Haute tension de claquage + haute densité de courant
    • Très faible Ron·A (figure de mérite supérieure)
    • Commutation rapide → performances accrues à haute fréquence
    • Compact : remplacement direct IGBT/Si-MOSFET en volume réduit
    typiques

      Commutation,

    • Dégradation du courant (current collapse, piégeage)
    • Technologie normalement-ON par défaut (E-mode encore en maturation)
    • Coût et maturité des substrats GaN-on-Si
    • Fiabilité long terme encore documentée
    logique

      Circuits

    • Chargeursanalogiques, &Amplification

      adaptateurs

    Entrées haute densitéimpédance (GaNet USB-PD)circuits

  • Amplificateurs
    • 1.2.2. Les alimentations et circuits de puissance
    RF(stations
  • Conversion
    • plusieurs EV

    Famille

    Gamme de basefréquence

    5G)    		 DC-DC

    Gamme hautede fréquencepuissance

    (jusqu'à    		 MHz)

    Applications

  • Lidar et applications spatiales
    • typiques
    SiC MOSFET
    4H-SiC, N-channel
    • Très haute tenue en tension (1,2 kV – 15 kV+)
    • Fonctionnement haute température (Tj > 175 °C)
    • Faible Ron à haute tension vs

      BJT Si

    • Commutation plus rapide que l'IGBT

      qqkHz

    • Coûtà élevé (substrat SiC)
    • Corps diode avec temps de recouvrement inverse (trr) — nécessite gate driver optimisé
    • Robustesse au court-circuit plus faible que l'IGBT
    • Sensibilité aux décharges électrostatiques (ESD)
    qq100kHz

      10mW

    • Onduleursà de200W

      traction
    		 (800

    Alimentations Vlinéaires, bus)amplificateur

  • Chargeurslinéaire embarqués (OBC) et bornes de recharge rapide
  • Énergie solaire & éolienne (onduleurs réseau)
  • Conversion de puissance aéronautique & ferroviaire
    • audio
    InP HBT

    Si /
    SiGe HBT
    Hétérojonction BJT
    • fT et fmax très élevés (> 500 GHz pour InP)
    • Faible bruit de phase — idéal pour oscillateurs
    • SiGe : compatible process CMOS (BiCMOS)
    • Bonne linéarité large bande
    MOSFET

      qqkHz

    • InPà : substrat fragile et coûteux
    • Densité d'intégration plus faible que CMOS pur
    • Tensions de claquage modérées
    • Procédés spéciaux (BiCMOS) plus complexes
    5MHz

      qqW

    • Circuitsà terahertzqq100kW

    Chargeurs, Alimentations industrielles, Onduleurs, véhicules électriques

    IGBT Si

    qqkHz à qq10kHz

    qqkW à plusieurs MW

    Alimentations industrielles, Variateurs de vitesse, Traction ferroviaire, Onduleurs photovoltaïques, Eoliennes, réseaux électriques

    SiC JFET

    20kHz à qq100kHz

    100W à qq10kW

    Alimentations à découpage AC/DC et imagerieDC/DC activeOnduleurs Solaires (sécurité,Transition médical)entre

  • OscillateursSi et SiC)

    • SiC MOSFET

    DC à très500 kHz

    1 kW à plusieurs MW

    Véhicules électriques, bornes de recharge, convertisseurs industriels, aéronautique

    GaN HEMT (Power)

    100 kHz à 10 MHz

    1 W à 10 kW

    Chargeurs rapides, convertisseurs compacts, alimentations haute densité

    Power device application fields (From https://www.shindengen.com/)

    1.2.3. Les circuits radiofréquence

  • Famille

    Gamme de fréquence

    Gamme de puissance

    Atouts

    Applications typiques

    BJT Si

    qqMHz à 1.5GHz

    1W à 500W

    Faible cout et maturité

    RF basse fréquence et basse puissance : Emetteur FM, Radioamateurs, Avionique et militaire (fin de cycle de vie)

    RF LDMOS

    100 MHz à 4GHz

    10W à 2kW

    Rendement en puissance, maturité industrielle

    Stations de base cellulaires, diffusion TV/FM, radar basse fréquence

    GaAs pHEMT

    1GHz à 100GHz

    qq100mW à qq10W

    Faible bruit, haute fréquence

    Amplificateurs faible bruit (LNA), amplificateur de phasepuissance microondes, satellites

    GaN HEMT (FMCWGaN-on-SiC)

    radar)

    1GHz à 100GHz

    1W à 1kW

    Très forte densité de puissance

    Amplificateurs Radars à antenne active (AESA), 5G/6G, application militaires

    SiGe HBT

    qq100MHz à 300GHz

    mW à qq10W

    Encore utilisé pour ses très performances RF

    Interconnexions rapides, Radars (anticollision (77GHz) et précision (120GHz, 240GHz)), analyse non destructive

    InP HEMT

    10GHz à 300GHz

    10mW à 2W

    Très faible bruit, très haute fréquence

    LNA pour récepteurs satellites et communications spatiales, Circuits mixtestérahertz RF/numériquemélangeurs, oscillateurs…)

    InP HBT

    10GHz à >300GHz

    10mW à 1W

    Très haute vitesse

    Communications optiques (SiGeémetteurs, BiCMOS)oscillateurs, multiplexeurs…), liaisons radio très haut débit, radars pour le militaire, Instrumentation RF

    Note : Les technologies GaAs MESFET et SiC MESFET sont maintenant largement remplacées par les technologies GaAs pHEMT (pour le GaAs MESFET) et GaN HEMT (SiC MESFET)

    Puissance de sortie et gamme de fréquences pour différentes technologies de transistor RF. (Adaptation de données fabricants)

    Pour les applications RF, les performances (puissance, rendement, bruit, fréquence de fonctionnement, linéarité) sont fortement dépendantes de la technologie du transistor. Les impacts sont non seulement liés à la consommation électrique mais aussi à la fabrication des matériaux semiconducteurs (GaAs, GaN, InP, SiGe).

    Les leviers sont :

    • Adapter la technologie au besoin
    • Émetteurs-récepteursLimiter pourla liaisonspuissance optiquesémise >au 100strict Gbpsbesoin
    • Mise en veille des étages et des voies inutilisées
    • Réduire les pertes passives (pertes en ligne, perte des substrats, pertes des réseaux d’adaptation…)

    Note: table des abréviations

    BJT

    Bipolar Junction Transistor

    JFET

    Junction Field Effect Transistor

    MOSFET

    Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

    Thyristor

    Interrupteur commandé symbolisé par 2 transistors (NPN et PNP) interconnectés

    IGBT

    Insulated Gate Bipolar Transistor

    LDMOS

    Laterally-Diffused Metal Oxide Semiconductor

    MESFET

    Metal Semiconductor Field Effect Transistor

    HBT

    Heterojunction Bipolar Transistor

    HEMT

    High Electron Mobility Transistor

    pHEMT

    Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor

    MESFET

    Metal Semiconductor Field Effect Transistor

    2. Enjeux environnementaux

    Le tableau ci-après compare le contenu typique en matériaux des transistors. Il rapporte les déclarations de matériaux de 3 exemples de références de transistors. En orange, les matières premières critiques (CRM) sont mises en évidence.

    Synthèse des ACV cradle to gate d'un transistor (ventilation des impacts par matériau)

    + (à valider pour l'ensemble des fiches composants) précision de l'influence du transistor sur l'impact environnemental du système complet (par typologie de produits) (influence faible, moyenne, forte) ==> sous forme de tableau


    		 Typologie 1 Typo 2 Typo 3 Typo 4

    Typo n
    Influence du transistor sur l'impact du système complet

    Faible

    (+ explication ?)

    		 Moyen Faible forte  ...

    3. Critères de sélection / éco-conception

    Critères de sélection d'un transistor dans une démarche d'éco-conception

    Lien vers les fiches topologies d'alimentation

    N° Axe d'éco-conception Recommandation Lien vers la source Priorité
    1 Choix des matériaux Le transistor retenu est-il fabriqué sans matières premières critiques (CRM) — notamment sans GaAs, GaN, InP ou SiC — lorsque les contraintes de performance (tension, fréquence, température) le permettent ? §1 — Rappel technologique Haute
    2 Choix des matériaux Si la fonction exige un transistor GaN ou SiC (haute tension, haute fréquence), a-t-on vérifié qu'une solution MOSFET Si ou IGBT ne suffirait pas au regard du cahier des charges (V_BR, f, Tj) ? §1 — Rappel technologique Haute
    3 Choix des matériaux A-t-on écarté les technologies à substrat InP ou GaAs (MESFET/HEMT, HBT) au profit de SiGe BiCMOS ou MOSFET Si chaque fois que la performance RF n'exige pas fT > 300 GHz ? §1 — Rappel technologique Medium
    4 Choix des matériaux Pour la typologie de produit concernée, a-t-on vérifié le niveau d'influence du transistor sur l'impact environnemental du système complet (faible / moyen / fort) avant d'approfondir l'optimisation ? §2 — Enjeux environnementaux Medium
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