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Transistor Bipolaire. H. Mathieu , « Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques », 4° édition, Masson 1998. D.A. Neamen , « semiconductor physics and devices », McGraw-Hill, Inc 2003. - PowerPoint PPT Presentation
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1
Transistor Bipolaire
2
Références:
H. Mathieu, « Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques », 4° édition, Masson 1998.
D.A. Neamen, « semiconductor physics and devices », McGraw-Hill, Inc 2003.
P. Leturcq et G.Rey, « Physique des composants actifs à semi-conducteurs », Dunod Université, 1985.
J. Singh, « semiconductors devices :an introduction », McGraw-Hill, Inc 1994.
Y. Taur et T.H. Ning, « Fundamentals of Modern VLSI devices », Cambridge University Press, 1998.
K.K. Ng, « complete guide to semiconductor devices », McGraw-Hill, Inc 1995.
D.J. Roulston, « Bipolar semiconductor devices », McGraw-Hill, Inc 1990.
3
Plan
Principe de fonctionnement Caractéristiques statiques Équations d’Ebers-Moll Paramètres statiques – gains Effets du second ordre Transistor en commutation Transistor en HF Transistor à Hétéro-jonction TBH ou HBT
4
Principe de fonctionnement
Géométrie: Latéral Vertical
Dans les circuits numériques, structure structure verticaleverticale
latéral
vertical
npn
BC
E
5
Géométrie conventionnelle sur IC
Muller et Kamins, « device electronics for IC »,2nd Ed., Wiley, 1986
6
Géométrie avec oxyde d’isolation
Muller et Kamins, « device electronics for IC »,2nd Ed., Wiley, 1986
7
Principe de fonctionnement
2 jonctions pn tête bêche.
La première (EB) sert à injecter les porteurs
La deuxième (BC) à les collecter
8
Principe de fonctionnement
Jonction en inverse: Courant faible car
« réservoir » vide En modulant le remplissage
du réservoir, modulation du courant inverse collecté (collecteur)
On remplit le réservoir (la base) en polarisant en direct la jonction EB
9
Principe de fonctionnement
La polarisation inverse CB permet de créer un champ électrique favorable à la collecte.
Conditions: Base fine:
Éviter les recombinaisons Base peu dopée /émetteur
Privilégie un seul type de porteurs injectés (meilleure efficacité d’injection)
10
Caractéristiques statiques
Transistor NPNTransistor NPN Transistor NPNTransistor NPN
11
Distribution des porteurs minoritaires dans transistor npn
idéalidéal
Avec recombinaisonsAvec recombinaisons
12
Caractéristiques statiques +hyp simp
Transistor PNPTransistor PNP
Pas de recombinaisons dans laBase ! ( )
Approximation « 1D »
Dopage homogène de laBase
Faible Injection
13
Calcul des différentes composantes du courant. Équations d’Ebers-Moll dans NPNNPN
Dans la base: Équation de continuité
Or et
Intégration de E-B à C-B:
Soit encore:
En régime normal, Jn négatif ( e- vers x<0)
dx
npd
eD
Jn
eD
Jp
p
p
n
n ).( dx
npd
eD
Jn
eD
Jp
p
p
n
n ).(
pn JJ pn
dx
npd
eD
Jp
n
n ).( dx
npd
eD
Jp
n
n ).(
'
'
)(
)exp()exp(2
C
E
BCBE
inbn
dxxp
kT
eV
kT
eV
neDJ
'
'
)(
)exp()exp(2
C
E
BCBE
inbn
dxxp
kT
eV
kT
eV
neDJ
'
'
)(
)1()1(2
C
E
kT
eV
kT
eV
inbn
dxxp
eeneDJ
BCBE
'
'
)(
)1()1(2
C
E
kT
eV
kT
eV
inbn
dxxp
eeneDJ
BCBE
14
Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPNNPN
)1(
)(
)1(
)()(
)1()1(
'
'
'
'
'
'
222 kT
eV
C
E
inbkT
eV
C
E
inb
C
E
kT
eV
kT
eV
inbn
BCBE
BCBE
e
dxxp
neDe
dxxp
neD
dxxp
ee
neDJ
)1(
)(
)1(
)()(
)1()1(
'
'
'
'
'
'
222 kT
eV
C
E
inbkT
eV
C
E
inb
C
E
kT
eV
kT
eV
inbn
BCBE
BCBE
e
dxxp
neDe
dxxp
neD
dxxp
ee
neDJ
Or:
BeffA
C
E
WNdxxpB
'
'
)( BeffA
C
E
WNdxxpB
'
'
)(
Donc:
)1()1()1()1(
22kT
eV
kT
eV
SnkT
eV
BeffA
nbikT
eV
BeffA
nbin
BCBEBC
B
BE
B
eeIeWN
Dene
WN
DenJ
)1()1()1()1(
22kT
eV
kT
eV
SnkT
eV
BeffA
nbikT
eV
BeffA
nbin
BCBEBC
B
BE
B
eeIeWN
Dene
WN
DenJ
Avec :BeffA
nbiSn WN
DenI
B
2
BeffA
nbiSn WN
DenI
B
2
Courant de saturation des électrons dans un PN « courte » ou sans recombinaison
15
Calcul des différentes composantes du courant
Équations d’Ebers-Moll dans NPNNPN
Dans l’émetteur Dans le collecteur
1)exp(
kT
eVJJ BE
spEpE
1)exp(
kT
eVJJ BC
spCpC
Courant suivant convention de signes
pCpEECB
npCC
npEE
IIIII
III
III
E B C
JpE Jn JpCIE
IB
IC
NPNNPN
16
Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPNNPN
Soit enfin (!) :
)1(exp)(
)1](exp)(
[ '
'
'
'
22
kT
eV
dxxp
DAen
kT
eVI
dxxp
DAenIII BC
C
E
nbiBEspEC
E
nbipEnE
)1](exp
)(
[)1(exp
)(
'
'
'
'
22
kT
eVI
dxxp
DAen
kT
eV
dxxp
DAenIII BC
spCC
E
nbiBE
C
E
nbipCnC
1)exp(1)exp(
kT
eVI
kT
eVIIIIII BC
spCBE
spEpCpECEB
Isn
17
Calcul des différentes composantes du courant Équations d’Ebers-Moll dans NPNNPN
L’expression finale est:
)1(exp)1(exp21
kT
eVI
kT
eVII BC
SIBE
SE
)1(exp)1(exp21
kT
eVI
kT
eVII BC
SBE
SNC
avec:
E
D
pei
C
E
nbiS
xN
DAen
dxxep
DnAeI
)()(
222
'
'
1
E
D
pei
C
E
nbiS
xN
DAen
dxxep
DnAeI
)()(
222
'
'
1
CD
pci
C
E
nbiS xN
DAen
dxxep
DnAeI
)()(
222
'
'
2
CD
pci
C
E
nbiS xN
DAen
dxxep
DnAeI
)()(
222
'
'
2
charge dans la base : QB + QScharge dans la base : QB + QS
18
Paramètres statiques du transistor bipolaire
Régime normal de fonctionnementRégime normal de fonctionnement: E-B en direct et C-B en inverseE-B en direct et C-B en inverse
kT
eVI
DnAeI BE
SpESB
nBiE exp)(
22
kT
eV
DnAeI BE
SB
nBiC exp)(
22
kT
eVIIII BE
SpECEB exp*
kT
eV
dxxp
neDA
kT
eVJAI BE
C
E p
ieBnBE
BECEC exp
)(exp '
'
2
0
19
Paramètres statiques du transistor bipolaire
Efficacité d’injection d’émetteur:Efficacité d’injection d’émetteur:
Gain en courant en base commune:Gain en courant en base commune:
Gain en courant émetteur commun:Gain en courant émetteur commun:
Ep
nE I
I
nBi
SBSpE
C
Dne
QQJI
I
22
).(1
1
1B
C
I
I Rem: si on néglige Recomb Rem: si on néglige Recomb dans la base, identique à dans la base, identique à E
20
Paramètres statiques du transistor bipolaire
Facteur de transport dans la Facteur de transport dans la base:base: Introduction des Introduction des
recombinaisons dans la recombinaisons dans la région région neutreneutre de la base de la base
n
ppB
n
srB
nnAeXQI eff
2/))0((
t
sC
QI
12
2
2
effB
n
t
n
rB
C
X
L
I
I
21
Paramètres statiques du transistor bipolaire
Introduction des recombinaisons Introduction des recombinaisons dans la dans la région déplétéerégion déplétée de la de la basebase
kT
eVW
AenI BE
Ti
rD 2exp
2
avec WT, largeur de la ZCE E-B.
En tenant compte de cela, on doit En tenant compte de cela, on doit réécrire le courant de Base:réécrire le courant de Base:
rDrBBB IIII *
22
Paramètres statiques du transistor bipolaire
Le gain global en courant s‘écrit alors:
Avec:
le courant de base intrinsèque (pas de recombinaisons) le courant de recombinaisons dans la région neutre de la Base le courant de recombinaisons dans la région déplétée E-B
C
rD
EC
rDrBB
C
B
I
I
I
III
I
I
111 *
*BI
rBI
rDI
23
Les autres régimes de fonctionnement
Régime saturé: Les 2 jonctions sont polarisées en direct.
kT
eV
BS
nBikT
eV
spEBS
nBiE
BCBE
eQQ
DnAeeI
DnAeI
2222
kT
eV
spCBS
nBikT
eV
BS
nBiC
BCBE
eIQQ
DnAee
DnAeI
2222
n(x)
)0(exn
)( Bex Wn
QQS1S1
QQS2S2
Base
00 WWBB
24
Régime saturé
Régime de faible injection: (QS<<QB): Le courant est du aux charges injectées dans la base, ie
QST = QS1 +QS2
Si base « courte » (voir PN), cette charge est donnée par le surface du ½ trapèze (variation linéaire)
kT
eV
sntkT
eV
A
iBBBS
kT
eV
sntkT
eV
A
iBBS
BCBC
BEBE
eJeN
nWWxenWQ
eJeN
nWxenWQ
2
2
2
1
2
1)(
2
1
2
1)0(
2
1
25
Régime saturé
Régime de faible injection: (QS<<QB): Autre « représentation » de la charge de saturation
(AblardAblard): On considère le transistor en régime normal avec une
charge QSN correspondant au même courant Icsat + une charge QSAT à calculer
00 WWBB
n(x)
)0(exn
)( Bex Wn
BaseBase
)()0( Bexex Wnn
QSN
QSAT
kT
eV
sntkT
eV
sntSN
BBSN
BCBE
eJeJQ
WWnneQ
))()0((2
1
kT
eV
sntkT
eV
sntSN
BBSN
BCBE
eJeJQ
WWnneQ
))()0((2
1
On obtient On obtient alorsalors:
kT
eV
sntSAT
BC
eJQ 2 kT
eV
sntSAT
BC
eJQ 2Responsable de la dégradation desResponsable de la dégradation desperformances dynamiquesperformances dynamiquesResponsable de la dégradation desResponsable de la dégradation desperformances dynamiquesperformances dynamiques
QST = QSN+QSAT
26
Régime saturé
Régime de forte injection Dans ce cas, la densité d’électrons injectés est égale à la densité de trous dans la base ( ) Une étude similaire à la précédente conduit au résultat suivant:
En fait, ces résultats doivent être modifiés par des effets secondaires ou parasitesEn fait, ces résultats doivent être modifiés par des effets secondaires ou parasitesBkT
eV
kT
eV
iS WeeenQBCBE
)(2
122 B
kT
eV
kT
eV
iS WeeenQBCBE
)(2
122
kT
eV
i
B
nBkT
eV
i
B
nBn
BCBE
enW
eDen
W
eDJ 22
22 kT
eV
i
B
nBkT
eV
i
B
nBn
BCBE
enW
eDen
W
eDJ 22
22
pn
27
Effets secondaires
Visualisation sur un « Gummel plot »:Visualisation sur un « Gummel plot »: Représentation de IC et IB en fonction de VBE
1
2
3
28
Effets secondaires
Effet Early , effet de perçage du collecteur
Claquage de la jonction Base - Collecteur
Résistances série d’Émetteur et de Base
Diminution (« collapse ») de Ic à fort courants
Défocalisation (« crowding effect ») du courant
Effet Early , effet de perçage du collecteur
Claquage de la jonction Base - Collecteur
Résistances série d’Émetteur et de Base
Diminution (« collapse ») de Ic à fort courants
Défocalisation (« crowding effect ») du courant
29
Effet Early - Perçage
À « première vue », Ic indépendant de VCB
En fait, modulation de la largeur de la région neutre de la base, donc QB+QS , donc Ic !
kT
eV
DnAeI BE
SB
nBiC exp)(
22
Si Si VVBCBC WWBB QQBB+Q+QSS
IIcc
ZCE B-CZCE B-C
30
Effet Early - Perçage Cas limite:
ZCE BC « déplète » totalement la base
Le collecteur injecte alors du courant directement dans E.
Courant uniquement limité par Rsérie E + C
BCZCE
SC
BB
dBC
pB
A
W
WeN
C
QV
C
CBB
DSC
DAAB
pt N
NNNeWV
2
)(2
31
Claquage de la jonction B - C
Avalanche de la jonction B-C: Apparaît souvent avant le
perçage Comment l’éviter?
Diminuer le champ électrique: Diminuer le gradient de
dopage dans le collecteur Couche peu dopée entre
Base et collecteur
Ionisation par impacts
BrBfB III BrBfB III
32
Résistance d’émetteur et de la base (effet 3)
À bas courant, effets négligeables
Pour circuit rapides, B-C tjs en inverse (rc2 et rc3 le plus petit possible) Résistances rc peu d’effet
Seules re et rb jouent un rôle. Chute de potentiel dans ces
résistances
)exp(
)(
'
'
kT
VeII
VVV
rrIIrrIIrV
BEBB
BEBEBE
beBCebBEeBE
33
Plusieurs facteurs peuvent entraîner la diminution de IC0:
Augmentation de la charge dans le Base (neutralité)
Augmentation de la largeur de la région neutre de la Base (déplacement de la ZCE vers le collecteur): effet Kirk
Diminution (« collapse ») de Ic à fort courant (effet 1)
kT
eV
dxxp
neDAI
kT
eVJAI
BEC
E p
ieBnBEC
BECEC
exp)(
exp
'
'
2
0
Nc
Nb
x)
Wb0
E’ C’
Nc-n
Nb+n
x)
Wb0
E’ C’
34
Et l’effet 2 ????????????????Et l’effet 2 ????????????????
35
Défocalisation du courant (« crowding effect »)
L’image d’un dispositif à une dimension est une approximation
Le bord du contact émetteur est plus polarisé que le centre
Favorise une forte densité de courant
Pas bon pour les composants de puissance
Solutions: technologie inter Solutions: technologie inter digitéedigitée
36
Transistor bipolaire = interrupteur ?
État ON : interrupteur fermé (Tr. Saturé)
État OFF: interrupteur ouvert (Tr. Bloqué)
État ON : interrupteur fermé (Tr. Saturé)
État OFF: interrupteur ouvert (Tr. Bloqué)
37
Transistor bipolaire = interrupteur ?
Signal de commande (d’entrée) le plus faible possible
Puissance de commande la plus petite possible
Emetteur CommunEmetteur Commun
Signal de commande (d’entrée) le plus faible possible
Puissance de commande la plus petite possible
Emetteur CommunEmetteur Commun
38
Transistor bipolaire = interrupteur ?
À quelle vitesse, l’interrupteur fonctionne-t-il ?
Facteurs limitatifs ?
Temps de mise en conduction: Équation de continuité
de la charge:
IdQ
dt
Qn
B B
n
La charge dans la base s’écrit:
Le courant collecteur est donné par:
temps de transit
dans la Base (courte)
)]exp(1[)(n
nBB
tItQ
t
BC
tQtI
)(
)(
39
Transistor bipolaire = interrupteur ?
Mise en conduction: IICC augmente jusqu’à
atteindre :
(on néglige VCEsat )
La charge limite QB(ton) pour saturer le transistor est donnée par (tr19):
Le temps de mise en conduction est donné par:
CC R
VI
sat
2C
C R
VI
sat
2
nB
pBC
S D
dIQ sat
2
2
nB
pBC
S D
dIQ sat
2
2
)(1
1ln
nBSnON IQ
t
)(1
1ln
nBSnON IQ
t
40
Transistor bipolaire = interrupteur ?
Remarque: la charge peut augmenter pour sursaturer le transistor
Temps de Blocage: entrée à « 0 »: Évacuation de la charge Évacuation de la charge
stockéestockée
C’est le temps de stockageC’est le temps de stockage ttss
Au delà, même Au delà, même phénomène que jonction phénomène que jonction PNPN
S
nBnS Q
It
ln
S
nBnS Q
It
ln
Valeur finale:
Bn I
41
Transistor bipolaire = interrupteur ?
Le temps de stockage (de désaturation) limite la vitesse de commutation
2 façons pour le réduire: Impuretés qui « tuent » la
durée de vie dans la Base Diode Schottky en // sur la
diode C-B: évite la sursaturation du transistor
42
Transistor en ac: schéma équivalentTransistor en ac: schéma équivalent
CµIB
43
Transistor en ac: schéma équivalent
Transconductance :relie la variation du courant collecteur à la tension Base – Emetteur, soit
Résistance d’entrée : elle relie la variation de la tension Base – Emetteur au courant de base, soit
Résistance de sortie
kT
eI
V
Ig C
BE
Cm
mBBE
B
geI
kT
V
Ir
1
mBBE
B
geI
kT
V
Ir
1
C
A
CE
Co I
V
V
Ir
1
C
A
CE
Co I
V
V
Ir
1
44
Transistor en ac: schéma équivalent
Capacité :
capacité de stockage
temps de transit Capacité : capacité de jonction de la jonction C –B polarisée en
inverse
Capacité de la couche de déplétion de la diode collecteur – substrat
EBTSE CCC
CBTCC
dCSC
mFSE gC
BCBEB tttEF tttt
C
C
45
Transistor en ac: schéma équivalent
Fréquence de coupure (gain en courant =1)
Le gain en courant est donc donné par:
beµb
beµbemc
vCjCjr
i
vCjvgi
1
)()/1()(
µ
µm
b
c
CCjr
Cjg
i
i
)()/1()(
µ
µm
b
c
CCjr
Cjg
i
i
46
Transistor en ac: schéma équivalent
À basse fréquence: Dans les transistors modernes, en général,
À hautes fréquences, PI domine
mµ gC )(1
)(µ
m
b
c
CCrj
rg
i
i
)(1)(
µ
m
b
c
CCrj
rg
i
i
)()(
µ
m
CCj
g
)()(
µ
m
CCj
g
47
Transistor en ac: schéma équivalent
On obtient alors la fréquence de coupure (« cutoff frequency ») en faisant iC/iB=1
Soit encore µ
mT CC
gf
2
)()(2
1ceTTSE
CF
T
rrCCCeI
kT
f BCBC
Temps de transit en directTemps de transit en direct
48
Transistor en ac: schéma équivalent
Fréquence max (« maximun oscillation frequency ») gain en puissance=1 Tient compte de la résistance de Base
dBCb
T
Cr
ff
8max dBCb
T
Cr
ff
8max
49
Transistor Bipolaire à Hétérojonction
Expression du gain :
Si la base est courte:
2
2
2
2
211
1
1BEB
B
B
E
E
E
n
Beff
p
Beff
i
A
n
p
D
i
E
E
L
W
L
W
n
N
D
D
N
n
2
2
2
2
211
1
1BEB
B
B
E
E
E
n
Beff
p
Beff
i
A
n
p
D
i
E
E
L
W
L
W
n
N
D
D
N
n
EB
B
B
E
E
E
p
Beff
i
A
n
p
D
i
E
E
L
W
n
N
D
D
N
n2
2
11
1
EB
B
B
E
E
E
p
Beff
i
A
n
p
D
i
E
E
L
W
n
N
D
D
N
n2
2
11
1
50
Transistor Bipolaire à Hétérojonction
Pour un gain en courant le plus grand possible, on doit avoir un le plus proche de l’unité. Diminuer le dopage de la Base Diminuer la longueur de la Base (att! Au
perçage)
Augmente la résistance de la Base, donc diminue fmax
Augmente la résistance de la Base, donc diminue fmax
EB
B
B
E
E
E
p
Beff
i
A
n
p
D
i
E
E
L
W
n
N
D
D
N
n2
2
11
1
EB
B
B
E
E
E
p
Beff
i
A
n
p
D
i
E
E
L
W
n
N
D
D
N
n2
2
11
1
51
Transistor Bipolaire à Hétérojonction
Autre solution: Augmenter le dopage de l’émetteur
Améliore l’efficacité d’injection Pb: « gap shrinking »
EB
B
B
E
E
E
p
Beff
i
A
n
p
D
i
E
E
L
W
n
N
D
D
N
n2
2
11
1
EB
B
B
E
E
E
p
Beff
i
A
n
p
D
i
E
E
L
W
n
N
D
D
N
n2
2
11
1
)exp()()( 22
kT
EBasenémetteurn g
ii
.0)()( émetteurgbasegg EEE
52
Transistor Bipolaire à Hétérojonction
kT
E
L
W
n
N
D
D
N
n g
p
Beff
i
A
n
p
D
i
EB
B
B
E
E
e exp12
2
kT
E
L
W
n
N
D
D
N
n g
p
Beff
i
A
n
p
D
i
EB
B
B
E
E
e exp12
2
1)exp(
1 kT
E
W
L
D
D
N
N g
Beff
p
p
n
A
D E
E
B
B
E
1)exp(
1 kT
E
W
L
D
D
N
N g
Beff
p
p
n
A
D E
E
B
B
E
On voit donc qu’il est difficile de concilier un fort dopage d’émetteur, une base peu dopée et fine avec un gain important
53
Transistor Bipolaire à Hétérojonction
On « construit » une structure à différence de « gap » négatif:
Le TBH ou HBT
eb EgEgEg
54
Concentration
Electrons
Transistor à base Silicium - Germanium
kT
eVI
DnAeI BE
SpESB
nBiE exp)(
22
kT
eV
DnAeI BE
SB
nBiC exp)(
22
emet
teur
collecteurbase
)(2 Sini
)(2 SiGeni
Améliore le betaAméliore le temps de transitDégrade la tension d’Early
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Besoins pour les dispos bipolaires
•Fort gain
•Efficacité d’émetteur forte
•Vitesse élevée
Demandes et Problèmes d’un BJT
Demandes Problèmes
émetteur fortement dopé Diminution du Gap: => injection par la Base
Base peu dopéeBase étroite
Forte résistance Base
Solution:Transistors Bipolaire à hétéro-jonction
•Emetteur fortement dopé en utilisant un SC à gap plus grand que celui de la Base•Base peut être fortement dopée et étroite sans augmenter la résistance de base•Collecteur peut être choisi tel que la tension de claquage soit élevée
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Dispositifs BipolairesSi peut être combiné avec:
•Silicium amorphe (Eg=1.5 eV)
•SiC (Eg=2.2 eV)
•Polysilicium (Eg=1.5 eV)
TBH avec Si:•Si/SiGe très prometteur avec fréquence de coupurede l’ordre de 100 GHz
TBH GaAs/AlGaAs• ft =150 GHz
•Qualité de l’interface excellente => TBH de hautes performances•Composants intégrés monolithiquement avec dispo optoélectronique
•InGaAs/InAlAS et InGaAs/InP TBHs•Les valeurs de ft > 180 GHz
•Accord de maille avec InP•Intégration avec composants optoélectroniques
•Filière GaN/AlGaN•Haute fréquence•Évacuation thermique (puissance)
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Applications numériques•Les « dispos » sont utilisés en mode saturé et non saturé
Logique saturée (intégration élevée)•Integrated Injection Logic (I2L)•Transistor-Transistor Logic (TTL)
Applications mémoiresApplications mémoires Bipolaire : mémoires statiquesMOS : mémoires dynamiques
Applications Bi-CMOSApplications Bi-CMOSCombinaisons des 2 technologies:
On a l’avantage des 2:=>fort développement
MMIC (Microwave MillimeterIntegrated Circuit)
MMIC (Microwave MillimeterIntegrated Circuit)
Propriétés HF, puissance => amplificateurs, convertisseurs A/N
Les applications des « Bipolaires »