Le transistor bipolaire

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1 diion École Polyechnique Universiaire de Nice Sophia-Anipolis Parcours des écoles d'ingénieurs Polyech (Peip) -Parcours des écoles 645 roue d'ingénieurs des Lucioles, Polyech 64 IOT (Peip) Sommaire I. Hisorique II. III. IV. Caracérisiques du ransisor Polarisaion du ransisor Les foncions logiques V. Asable ARAHAM LOCH

2 I. Hisorique I.. Rôle du ransisor bipolaire es un composan élecronique uilisé comme : inerrupeur commandé, amplificaeur, sabilisaeur de ension, modulaeur de signal I. Hisorique I.2. Hisoire du ransisor 947 : John ARDN e Waler RATTAIN invenen le ransisor à conac (ransisor) au laboraoire de physique de la sociéé LL (USA). Cee découvere es annoncée en juille 948. Transisron 948 Transisor à conac : Herber MATAR e Heinrich WLKR invenen (indépendammen de LL) aussi le ransisor à conac en juin 948 (en France). Ce ransisor sera appelé le Transisron pour le disinguer de celui de LL. 948 : en janvier William SHOCKLY invene le ransisor à joncion (bipolaire) mais la echnique de fabricaion ne sera mairisée qu en 95 Transisor à joncion 948 2

3 I. Hisorique I.2. Hisoire du ransisor Les ransisors remplacen les conaceurs élecromécaniques des cenraux éléphoniques e les ubes dans les calculaeurs. 953 calculaeur (93 ransisors + 55 diodes) Sonoone 953 : première applicaion poraive du ransisor enan que sonoone. 954 : première radio à ransisors. Régency TR- (4 ransisors) I. Hisorique I.3. Hisoire des premiers circuis inégrés 958 : Jack KILY de Texas Insrumen présene le premier circui (oscillaeur) enièremen inégré sur une plaque de semiconduceur. 958 premier circui inégré 96 : producion de la première mémoire Flip Flop par la sociéé Fairchild Semiconducor. 96 Flip Flop en circui inégré 965 : à parir du nombre de composans par circui inégré fabriqué depuis 965, Gordon MOOR (Fairchild Semiconducor) prédi que le nombre de composans inégrés (par unié de surface) doublera ous les 2 mois. Cee loi es oujours vraie! 3

4 II.. Définiion d un ransisor bipolaire es créé en juxaposan rois couches de semiconduceur dopés N +, P puis N pour le ransisor NPN (couran dû à un flux d élecrons) ou dopés P +, N puis P pour le ransisor PNP (couran dû à un flux de rous). Le niveau de dopage décroi d un bou à l aure de la srucure. Un faible couran de base,, perme de commander un couran de colleceur,, bien plus imporan. II.2. Représenaion colleceur colleceur émeeur colleceur base émeeur N P N + base émeeur P N P + base Transisor NPN Transisor PNP II.3. Foncionnemen du ransisor NPN Soi une diode don l anode es appelée la ase () e la cahode l meeur () Le couran d une diode es en réalié consiué d un couran de rous ( ) e d un couran d élecrons (e ) Cee diode es elle que le couran d élecrons es fois plus grand que le couran de rous e 4

5 II.3. Foncionnemen du ransisor NPN On posiionne à présen une deuxième diode don la cahode s appelle le Colleceur (C) Cee deuxième diode es polarisée en inverse donc le couran qui la raverse doi êre nulle Technologiquemen, les anodes de ces deux diodes son confondues e le couran d élecrons es happé par cee deuxième diode e sor par le colleceur. V C C e II.3. Foncionnemen du ransisor NPN perme ainsi le passage d un couran direc dans une diode en inverse. Ce couran de colleceur ne dépend que de la valeur de an que la diode C es suffisammen «bloquée» V C C Si cee diode n es pas suffisammen «bloquée», une parie des élecrons sor par la base, on di que le ransisor es sauré La ension à parir de laquelle cela arrive es appelée sa e 5

6 II.4. Caracérisiques ( )duransisornpn Pour débloquer (rendre passan) le ransisor NPN, il fau que la joncion base-émeeur soi polarisée en direc avec une ension supérieure à la ension de seuil,, de cee diode : >. La caracérisique ( ) es celle de la diode base-émeeur en ne considéran que le couran de rou. Ici le couran de rous es bien plus faible que le couran d élecrons. base colleceur I V C N P N + (A) inverse direce émeeur (V) II.4. Caracérisiques ( )duransisorpnp Pour débloquer (rendre passan) le ransisor PNP, il fau que la joncion base-émeeur soi polarisée en direc avec une ension supérieure (en valeur absolue) à la ension de seuil,, de cee diode soi : <. La caracérisique ( ) es celle de la diode base-émeeur en ne considéran que le couran des élecrons. Ici le couran des élecrons es bien plus faible que le couran des rous. base colleceur I V C P N P + (A) direce inverse émeeur 6

7 base II.4. Caracérisiques ( )duransisornpn Si la joncion C es polarisée en inverse, alors le couran d élecrons peu raverser cee joncion. Dans ce cas le couran es indépendan de : régime linéaire ( =. ) Si = alors aucun couran ne circule enre l émeeur e le colleceur Le basculemen enre ces deux foncionnemens se produi à la ension sa (sa pour sauraion) : le couran n es pas proporionnel à. sauré Linéaire colleceur émeeur N P N + (A) sa 4 (V) 3 2 > II.5. ilan des caracérisiques ( )e ( ) loqué : <, =, = (A) C V C (V) (A) sa (V) 7

8 II.5. ilan des caracérisiques ( )e ( ) Passan_Linéaire : >, >, =. (A) C V C (V) (A) e sa (V) II.5. ilan des caracérisiques ( )e ( ) Passan_Linéaire : >, >, =. (A) C V C (V) (A) e sa (V) 8

9 II.5. ilan des caracérisiques ( )e ( ) Passan_Linéaire : >, >, =. (A) C V C (V) (A) e sa (V) II.5. ilan des caracérisiques ( )e ( ) Passan_Linéaire : >, >, =. (A) C V C (V) (A) e sa (V) 9

10 II.5. ilan des caracérisiques ( )e ( ) Passan_Linéaire : >, >, =. (A) C V C (V) (A) e sa (V) II.5. ilan des caracérisiques ( )e ( ) Passan_Sauré : >, >, <., < sa (A) + e C V C (V) (A) e sa (V)

11 II.5. ilan des caracérisiques ( )e ( ) Passan_Sauré : >, >, <., < sa (A) + e C V C (V) (A) e sa (V) III.. Polarisaion simple Déerminaion de e La boucle d enrée perme de déerminer la valeur de G (A) G /R R G G (V)

12 III.. Polarisaion simple Déerminaion de e On considère que le ransisor es en régime linéaire IC. On peu donc résumer le ransisor à rois élémens : n enrée : e R S (donc la diode base-émeeur) n sorie: un généraeur de couran =. R G III.. Polarisaion simple Déerminaion de e Il fau à présen vérifier si le ransisor es réellemen en régime linéaire par le calcul de VDD RC.IC VC VC VDD RC. IC Si >sa alors on confirme le régime linéaire e les calculs son exacs / R G sa 2

13 III.. Polarisaion simple Déerminaion de e Si <sa le ransisor es en régime sauré e l uilisaion de la droie de charge donne les vraies valeurs de e Si on uilise pas la droie de charge, on impose =sa e on déermine la valeur de avec la boucle de sorie. VDD VCsa V V DD DD RC.IC VCsa IC RC / R G sa III.. Polarisaion simple Déerminaion de e Il fau aussi re-déerminer la vériable valeur du couran de base. Les élecrons qui passen de l émeeur à la base ne son pas ous propulsés au colleceur e une parie sor par la base. Les valeurs de e R S son donc différenes (A) G /R R G G (V) 3

14 III.. Polarisaion simple Variaion de R avec consan On par d une valeur de R suffisammen grande pour que le ransisor soi en régime linéaire La droie de charge en sorie ne change pas R On diminue alors R G (A) / G /R G (V) sa III.. Polarisaion simple Variaion de R avec consan On par d une valeur de R suffisammen grande pour que le ransisor soi en régime linéaire La droie de charge en sorie ne change pas R On diminue alors R G (A) / G /R G (V) sa 4

15 III.. Polarisaion simple Variaion de R avec consan On par d une valeur de R suffisammen grande pour que le ransisor soi en régime linéaire La droie de charge en sorie ne change pas R On diminue alors R G (A) / G /R G (V) sa III.. Polarisaion simple Variaion de R avec consan On par d une valeur de R suffisammen grande pour que le ransisor soi en régime linéaire La droie de charge en sorie ne change pas R On diminue alors R G (A) G /R / G (V) sa 5

16 III.. Polarisaion simple Variaion de avec R consan On par d une valeur de suffisammen faible pour que le ransisor soi en régime linéaire La droie de charge en enrée ne change pas R On augmene alors G (A) / G /R G (V) sa III.. Polarisaion simple Variaion de avec R consan On par d une valeur de suffisammen faible pour que le ransisor soi en régime linéaire La droie de charge en enrée ne change pas R On augmene alors G (A) / G /R G (V) sa 6

17 III.. Polarisaion simple Variaion de avec R consan On par d une valeur de suffisammen faible pour que le ransisor soi en régime linéaire La droie de charge en enrée ne change pas R On augmene alors G (A) / G /R G (V) sa III.. Polarisaion simple Variaion de avec R consan On par d une valeur de suffisammen faible pour que le ransisor soi en régime linéaire La droie de charge en enrée ne change pas R On augmene alors G (A) G /R / G (V) sa 7

18 III.2. Pon de base Les résisances R e R 2 formen un pon enre la base e d où le nom. La déerminaion de passe par celle de I P. R I P + I P R 2 III.2. Pon de base : approche simple On considère que I P >>>. Dans ce cas un simple pon diviseur de ension perme de connaîre la valeur de e par suie la valeur de. R V 2 VDD R R 2 Puis on déermine. R V V I S RS I P + I P R 2 8

19 III.2. Pon de base : sysème de 2 équaions On résou un sysème de deux équaions qui correspond à l écriure de deux mailles en enrée () (2) V R 2.IP VS RS. I R. I P R.I P R R S I On rouve R R VDD VS R 2 I R R RS RS. R 2 (2) I P + I P R 2 () III.2. Pon de base : Thévenin On peu aussi ransformer,r e R 2 en généraeur de hévenin On débranche la base du ransisor pour éliminer le couran Pour déerminer R h, on éliminer les sources (ici = ) ce qui donne R // R 2 R.R R 2 h R R 2 On déermine alors h avec un pon diviseur de ension R 2 h VDD R R 2 D où : h V I S R h RS h R h 9

20 III.2. Pon de base : Thévenin On rerouve le héorème de Thévenin à parir des deux mailles en enrée : V R 2. IP VDD R. IP I V On exrai I P de la première équaion que l on repore dans la deuxième V V DD R. R.I V R 2 R I P + ui s'écri aussi en regroupan les R 2 R.R V 2 DD.I V R R 2 R R 2 I P R 2 h R h III.3. Résisance d émeeur Dans la résisance R il passe le couran donc les courans e La maille en enrée s'écri :. h R h.i VS RS.I R I IC h R h. R S. R.. On rouve le couran h V I S R h RS.R Vu de l enrée (donc de ), la résisance R es mulipliée par (+ ) n foncion de la valeur de on peu écrire :.R. R rreur classique : oublie du h R h R 2

21 III.3. Résisance d émeeur La présence de R perme une régulaion hermique du ransisor n foncionnemen, le ransisor chauffe à cause de la circulaion du couran ce qui augmene la valeur du couran qui engendre une augmenaion de la empéraure ec n présence de R : (A) T V T R h (V) Si la présence de R n es pas suffisane, il fau ajouer un radiaeur sur le ransisor. h R V IV. Les foncions logiques IV.. L inverseur La loi des mailles dans la boucle de sorie donne : VC VS 24 R. IC On obien alors la droie de charge : 24 V I C C R R Si V =V: es négaif (ransisor bloqué) e =soi =24V Si V =24V: > (ransisor passan) e =4 donc sa V 24 V 6 V R (A) 4 V V R R S = A (V) 2

22 IV. Les foncions logiques IV.. L inverseur La loi des mailles dans la boucle de sorie donne : VC VS 24 R. IC On obien alors la droie de charge : 24 V I C C R R On race mainenan la caracérisique (V ) de l inverseur. (V) 24 A (A) > sa 24 V (V) A (V) IV. Les foncions logiques IV.. L inverseur Table de vérié e symbole logique : S S = n praique on défini un gabari pour l inverseur (V) 24 sa 24 V (V) 22

23 IV. Les foncions logiques IV.2. La foncion NI (NON-OU, NOR) 24 V 6 V Schéma élecrique d une pore NI : V 2 R R 2 R R S = Table de vérié e symbole logique : 2 S 2 S = + 2 IV. Les foncions logiques IV.3.LafoncionmémoireàdeuxporesNI Le bu es de socker l informaion ou. Schéma logique le la mémoire : Se Rese Tabledevérié: Se Rese Chronogramme : Se Rese 23

24 IV. Les foncions logiques IV.3.LafoncionmémoireàdeuxporesNI Le bu es de socker l informaion ou. Schéma logique le la mémoire : Se Rese Tabledevérié: Se Rese Chronogramme : Se Rese IV. Les foncions logiques IV.3.LafoncionmémoireàdeuxporesNI Le bu es de socker l informaion ou. Schéma logique le la mémoire : Se Rese Tabledevérié: Se Rese Chronogramme : Se Rese 24

25 Schéma élecrique de cee mémoire : 24 V 6 V IV. Les foncions logiques IV.3.LafoncionmémoireàdeuxporesNI R R R R Se Rese R R 2 2 R R V Symbole logique de la mémoire RS (bascule RS) : Se Rese Se Rese Mémoire de ype RAM (Random Acces Memory) qui s apparene à la SRAM (Saic) : l informaion disparaî si on éein l alimenaion. Si le pon de base consomme µ A (sous 3 V) e que l on socke 6 bis alors la mémoire disperse au moins 3 W! IV. Les foncions logiques IV.3.LafoncionmémoireàdeuxporesNI 97 : 256-bi TTL RAM (Fairchild) 25

26 V. Asable ARAHAM LOCH Circui don le schéma s apparene à celui de la mémoire RS e qui fourni un signal carré. C R R 2 C V T T V 26

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