Transistors bipolaires

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1 Transistors bipolaires Définition : Un transistor bipolaire est un dispositif électronique à base de semi-conducteur. Son principe de fonctionnement est basé sur deux jonctions PN, l'une en direct et l'autre en inverse. La polarisation de la jonction PN inverse par un faible courant électrique (parfois appelé effet transistor) permet de «commander» un courant beaucoup plus important, suivant le principe de l'amplification de courant.

2 Transistors bipolaires Constitution : Le transistor bipolaire ou B.J.T. (Bipolar Junction Transistor), ou encore transistor bijonction, est un semi-conducteur présentant trois zones de dopage différentes N, P et N, ou P, N et P. La zone du milieu, très mince (faiblement dopée), constitue la base. Les deux extrémités, constituent l émetteur (fortement dopé) et le collecteur (peu dopé). Les trois zones ainsi dopées forment deux jonctions : la jonction baseémetteur (BE) dite jonction de commande, et la jonction base-collecteur (BC) Nous avons deux jonctions PN que l on peut considérer comme deux diodes. Pour polariser correctement un transistor, il faut que : la jonction entre B et E soit polarisée dans le sens direct, la jonction entre C et B soit polarisée dans le sens inverse.

3 Symboles, tensions et courants Il existe deux types de transistors bipolaires : le NPN et le PNP. On adopte les sens positifs des courants et des tensions, les courants et les tensions sont positifs pour le NPN et négatifs pour le PNP. Grandeurs positives Grandeurs négatives

4 Schématiquement, on représente les transistors comme indiqués sur la figure suivante et on associe à chacun six grandeurs électriques : trois courants et trois tensions.

5 Les caractéristiques du transistor bipolaire NPN Le fonctionnement du transistor NPN est décrit par les courbes caractéristiques qui lient les grandeurs électriques précédemment définies. Comme I E et V CB se déduisent des quatre autres, l usage est de considérer les caractéristiques liant I B, I c, V BE et V CE (figure suivante).

6 Fondamentalement, il importe de retenir les propriétés suivantes :

7 Les caractéristiques du transistor bipolaire NPN La figure ci-contre montre l'allure de la caractéristique Ic / Vce. On distingue deux zones principales : zone de saturation: pour des tensions Vce < 1 V ; dans cette zone, Ic dépend à la fois de Vce et de Ib (La tension Vcesat se situe en général autour des 0,2 V jusqu'à 0,7 V) ; zone linéaire : le courant collecteur est quasi indépendant de Vce, il ne dépend que de Ib.

8 La polarisation d un transistor La polarisation du transistor est un préalable incontournable à son fonctionnement en régime linéaire, autrement dit la polarisation a pour rôle de placer le point de fonctionnement du transistor dans la zone linéaire de ses caractéristiques. Pour cela on applique sur les trois électrodes du transistor des potentiels continues de valeurs convenables. Le point de fonctionnement est fixé par les valeurs de IB et VBE (caractéristiques d'entrée) et les valeurs de IC et VCE (caractéristiques de sortie)

9 Le point de fonctionnement A partir du réseau de caractéristique, on peut déterminer le point de fonctionnement. La connaissance du point de repos à l'entrée N, permet de déduire, via la caractéristique de transfert en courant IC = f (IB), la valeur du courant de sortie et donc le point de repos en sortie M. Maille d'entrée : détermination du point N : La loi des mailles à l'entrée donne : EB=RB IB +VBE. Le point N est définit par l' intersection de la caractéristique d'entrée du transistor VBE =f(ib) et de la droite d'équation VBE = EB -RB IB appelée droite d'attaque statique. Maille de sortie : détermination du point M : La connaissance du point (VBE,,IB) permet la détermination du courant ICo. L'équation de la droite de charge statique est définie, à partir de la maille de sortie, par :VCE=EC -RC IC.L'intersection de cette droite avec la caractéristique de sortie du transistor (correspondant au courant IB0 d'entrée) définit le point de repos en sortie M caractérise par IC0 et VCE0.

10 Réalisations pratiques de la polarisation Le montage de la figure précédente est fonctionnel, mais il nécessite deux sources de tension (c est montage peu utilisé car il nécessite deux sources de tensions). En pratique, les montages utilisent une seule source de tension continue. Polarisation par résistance de base : Soit le montage de la figure suivante:

11 Le transistor considéré comme un quadripôle Le transistor ayant trois électrodes, l'une d'elles sera commune à l'entrée et à la sortie. Il en résulte trois montages principaux.

12 Un transistor bipolaire peut-être assimile a un interrupteur commandé. - Le transistor bipolaire possède 3 broches : une base, un collecteur et un émetteur. Un transistor bipolaire a deux modes de fonctionnement : le mode linéaire (amplification) et le mode bloque/sature.

13 Fonctionnement d un transistor Un fonctionnement en interrupteur commande consiste a activer la base, pour qu'elle permette au courant présent dans le collecteur, de s écouler jusqu'a l émetteur. Pour commander ce transistor, plusieurs paramètres sont importants : (Ib + Ic) = Ie Cette relation signifie que le courant circulant dans la base plus le courant du collecteur, est égal au courant sortant de l émetteur. Ib * β = Ic Cette relation signifie que le courant du collecteur est, jusqu'a une certaine limite directement proportionnel au courant présent dans la base. Ce facteur β est appelé gain en courant. La valeur de Vbe Lorsque Vbe = 0 le transistor est bloque => Ic = Ie = 0 et Vce et quelconque positif, Vce < Vce_max sinon le transitor grille Lorsque Vbe = 0,7 V le transistor est saturé (tension de seuil de la diode base émetteur ), le transistor est passant. Pour être saturé : Ib > Ic/β

14 Exemple d application:

15 Exemple d application:

16 Le point de fonctionnement Maille d'entrée : détermination du point N : La loi des mailles à l'entrée donne : EB=RB IB +VBE. Le point N est définit par l' intersection de la caractéristique d'entrée du transistor VBE =f(ib) et de la droite d'équation VBE = EB -RB IB appelée droite d'attaque statique. Maille de sortie : détermination du point M : La connaissance du point (VBE,,IB) permet la détermination du courant ICo. L'équation de la droite de charge statique est définie, à partir de la maille de sortie, par :VCE=EC -RC IC.L'intersection de cette droite avec la caractéristique de sortie du transistor (correspondant au courant IB0 d'entrée) définit le point de repos en sortie M caractérise par IC0 et VCE0.

17 Le transistor en régime dynamique: L'étude en régime dynamique consiste à analyser le fonctionnement d'un transistor polarisé lorsqu on applique de petites variations à l une des grandeurs électriques. Paramètres hybrides du transistor bipolaire. Le transistor bipolaire peut être considéré comme un quadripôle tant qu'il fonctionne en régime petit signal. Parmi toutes les modélisations mathématiques des quadripôles, la plus utilisée est la matrice H ou matrice hybride : v 1 = h 11 i 1 + h 12 v 2 i 2 = h 21 i 1 + h 22 v 2

18 Le transistor en régime dynamique: Paramètres hybrides du transistor bipolaire. v 1 = h 11 i 1 + h 12 v 2 i 2 = h 21 i 1 + h 22 v 2 Si le quadripôle est un transistor émetteur commun, on obtient la matrice hybride émetteur commun : v be = h 11 i b + h 12 v ce i c = h 21 i b + h 22 v ce le schéma faisant intervenir les paramètres h est le même pour les transistors PNP ou NPN.

19 Le transistor en régime dynamique: Paramètres hybrides du transistor bipolaire. Le schéma électrique équivalent est celui représenté ci-contre. Les significations des paramètres hybrides se déterminent à l'aide du réseau de caractéristique du transistor. ib est le courant traversant h11. La faible valeur de h12 permet souvent de négliger h12 vce devant h11 ib.

20 Le transistor en régime dynamique: Le réseau de caractéristique permet une détermination expérimentale des paramètres h. La valeur des paramètres dépend du point de repos ou point de fonctionnement statique (P). Elle est fournie par la tangente à la caractéristique au point de fonctionnement.

21 Le transistor en régime dynamique:

22 Le transistor en régime dynamique:

23 Le transistor en régime dynamique: La source d entrée peut être, par exemple, une antenne, un capteur ou un circuit électronique qui fournit un signal analogique. Le générateur d entrée est appelé générateur de commande ou générateur d attaque. La charge est représentée par la résistance. Elle peut être, par exemple, un haut parleur, un système de déviation du faisceau d électrons d un oscilloscope ou un circuit électronique.

24 Le transistor en régime dynamique: La charge est représentée par la résistance. Elle peut être, par exemple, un haut parleur, un système de déviation du faisceau d électrons d un oscilloscope ou un circuit électronique.

25 Le transistor en régime dynamique: Les deux condensateurs CLE et CLS sont appelés des condensateurs de liaison. Ils servent à séparer l étage de la source d entrée et de la charge en continu. S ils n existaient pas, il y aurait changement de la polarisation initiale du transistor.

26 Le transistor en régime dynamique:

27 Le transistor en régime dynamique:

28 Le transistor en régime dynamique:

29 Le transistor en régime dynamique: