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

Technologies	Avantages	Inconvénients	Applications	Ressources	Statu
Silicium (Si)	·     Faible 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 puissance	Applications 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 :

1.2.2. Les alimentations et circuits de puissance

Famille	Gamme de fréquence	Gamme de puissance	Applications typiques
BJT Si	qqkHz à qq100kHz	10mW à 200W	Alimentations linéaires, amplificateur linéaire audio
Si MOSFET	qqkHz à 5MHz	qqW à qq100kW	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 DC/DC Onduleurs Solaires (Transition entre Si et SiC)
SiC MOSFET	DC à 500 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/)

Les leviers d'écoconception:

• Ne pas surdimensionner la tension de claquage pour limiter la résistance de canal: un 100V sur un bus 12V a un RDSon 5 à 10fois supérieur à un 30V. La règle "doubler la tension nominale" est souvent excessive. Calculer la surtension réelle en transitoire et appliquer une marge de 1.5 à 1.7
• Monter en fréquence pour réduire la taille des passifs, inductance et condensateurs de filtrage. Un facteur x10 sur la fréquence de découpage correspond à une réduction d'un facteur proche de 10 sur la valeur de l'inductance. Le GaN et le SiC permettent une montée en fréquence au delà des limites du MOS. Vérifier sur un cycle complet le bilan de puissance pour s'assurer que les pertes sont compensées par la réduction des passifs.
• Pour le pilotage de grille, 3 réglages sont à considérer:
  • Valeur de la résistance Rg : Plus la résistance de grille est faible, plus la commutation est rapide et les pertes faibles. Mais le dV/dt résultant augmente, il faut s'assurer d'être compliant au niveau CEM
  • Commutation douce : commutation à tension nulle (Zero Volage Switching) ou a courant nul (Zero Current Switching). Elle permet une réduction des pertes en commutation de 50 à 90%. C'est le levier le plus efficace si la topologie le permet.
  • Réglage du temps mort (Dead Time): le minimiser permet de limiter les pertes dans la diode de corps (Si) ou dans le canal en conduction inverse (GaN).
• Thermique et durabilité : un composant moins soumis à la température dure plus longtemps. Une baisse de 10°C correspond environ à une durée de vie multipliée par 2 (loi d'Arrhenius). Préférer les boitiers à faible résistance thermique (Rthj-c) comme les QFN, LGA et Flip-Chip pour réduire la température de jonction et la taille du dissipateur. 

La table suivante présente un comparatifs de performance thermique de différents boitiers de transistors de puissance usuels:

Boîtier	Montage	Rth JC (°C/W)	Rth JA JEDEC (°C/W)	Tech. compatibles	Note
TO-220	Traversant	1 – 3	60 – 70	Si, SiC	Référence classique, montage vis ou pince
TO-220F	Traversant	5 – 10	65 – 75	Si	Version isolée (drain isolé du tab)
TO-247	Traversant	0,3 – 1	40 – 50	Si, SiC	Haute puissance, montage vis
TO-247-4L	Traversant	0,3 – 1	40 – 50	Si, SiC, GaN	4e broche Kelvin source — réduit l'inductance de la boucle de grille
TO-263 (D2PAK)	CMS	1 – 3	40 – 60	Si, SiC	Équivalent CMS du TO-220
TO-252 (DPAK)	CMS	2 – 5	50 – 80	Si	Version réduite du D2PAK
TOLL (TO-Leadless)	CMS	0,5 – 1,5	35 – 50	Si, SiC	Bon Rth, broche Kelvin souvent disponible
LFPAK88 (8×8 mm)	CMS	0,5 – 1,5	30 – 45	Si	Nexperia — pad thermique large, faible inductance
LFPAK56 (5×6 mm)	CMS	1 – 3	40 – 60	Si	Version compacte LFPAK
PowerPAK SO-8	CMS	2 – 5	40 – 60	Si	Vishay — pad thermique exposé en dessous
QFN 8×8 mm	CMS	0,5 – 1,5	25 – 40	GaN, Si	Excellent Rth avec vias thermiques denses
QFN 6×6 mm	CMS	1 – 3	30 – 50	GaN, Si	Standard GaN Systems, Navitas, EPC
QFN 3×3 mm	CMS	5 – 15	60 – 100	GaN faible puissance	À réserver aux puissances < 5 W
LGA (bottom-cooled)	CMS	0,3 – 1	20 – 35	GaN, SiC	Meilleure option thermique si vias thermiques — pas de leads, tout par le pad
DirectFET / clip	CMS	0,15 – 0,5	15 – 30	Si (Infineon, IR)	Refroidissement double face possible
DFN	CMS	1 – 5	30 – 60	GaN	Proche QFN, dimensions variables
SOT-223	CMS	10 – 20	60 – 100	Si faible puissance	À éviter au-delà de 2–3 W sans dissipateur PCB
Module (base DCB)	Module	0,05 – 0,3	—	Si, SiC, GaN	Rth JC inclut le substrat céramique — Rth JA non applicable, refroidissement forcé standard

A noter: 

• Rth JA JEDEC = valeur sur carte test standard (naturelle convection, pad minimal). Sur un design avec vias thermiques optimisés sous le pad, Rth JA peut être réduit de 30 à 60 %.
• Le paramètre utile pour le calcul de Tj est Rth JC — pas Rth JA. Rth JA sert surtout à comparer les boîtiers entre eux en l'absence de dissipateur.

Ce que ça implique concrètement

Pour réduire la taille du dissipateur (moins de matière), l'ordre de préférence thermique est : LGA/DirectFET > QFN 8×8 > LFPAK88 > TOLL > TO-247 > D2PAK > TO-220. Les boîtiers traversants ont un Rth JC convenable mais leur embase nécessite un isolant thermique si le tab est au potentiel drain — ce qui dégrade Rth effectif de 0,5 à 2 °C/W selon l'isolant.

Pour GaN spécifiquement, le QFN ou LGA est quasi systématique — les boîtiers traversants restent rares sur les références récentes (sauf TO-247-4L sur certains SiC-GaN).

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 puissance microondes, satellites
GaN HEMT (GaN-on-SiC)	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 térahertz mélangeurs, oscillateurs…)
InP HBT	10GHz à >300GHz	10mW à 1W	Très haute vitesse	Communications optiques (émetteurs, 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 (fréquence de transistion, gamme de puissance...)
• Limiter la puissance émise au strict besoin
• 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