Chapitre II : Le transistor bipolaire

Transcription

1 hapitre II : Le transistor bipolaire hapitre II : Le transistor bipolaire II.1. Introduction : Le transistor fait partie des composants que l'on retrouve sans exception dans toutes les applications de l'électronique. Amplification de tension, amplification de courant, amplification de puissance, interrupteur, oscillateurs, convertisseurs A-A, A-D, D-D, D-A, micro-contrôleurs, micro-processeurs, etc... Il existe plusieurs types de transistor : omposant commande Application type A max ande passante ipolaire MOS, FT, JFT, MOSFT courant Amplification, commutation 10A 0 GHz tension ommutation 5A 0 10MHz IGT courant ommutation en électronique de puissance Nous nous intéresserons ici simplement au transistor bipolaire. 200A 0 MHz II.2. Fonctionnement physique : Le transistor bipolaire est constitué par 2 jonctions PN mises bout à bout. Il est possible d'associer ces 2 jonctions de manière à constituer 2 composants : le transistor NPN, le transistor PNP. Le transistor est un composant composé de 3 connexions : base, zone faiblement dopée et de taille très faible (par rapport aux 2 autres), émetteur, zone très dopée -ie zone extrinsèque- collecteur, zone très dopée, et d'une taille presque 1,5 fois plus grande que l'émetteur. Description du fonctionnement d'un transistor NPN/PNP : n fonctionnement normal, la jonction base-émetteur est polarisée dans le sens direct, et la jonction base-collecteur en. ela signifie que la polarisation de la base permet aux électrons/trous de passer dans l'émetteur sous la forme d'un courant de diffusion -I dn /I dp - puisque la barrière de potentiel a été annulée. De la même manière les trous/électrons de la base diffusent vers l'émetteur -I dp /I dn -. L'accumulation d'électrons/trous dans la base fait qu'ils sont attirés dans le collecteur car la polarisation entre la base et le collecteur est. eci est possible car au niveau de la base il existe une inversion localisée de la population puisque celle-ci possède une taille très faible. Les électrons ainsi stockés, on suffisamment d'énergie pour transiter «naturellement» dans la zone collecteur aidés par la polarisation de la zone -. Dans les 2 jonctions il existe des courants s. L'agitation thermique est la source de la création de ces courants. ependant ce courant est négligeable devant le courant de diffusion et ne contribue pas à l'effet transistor. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 1/7

2 hapitre II : Le transistor bipolaire ATTNTION : Le fonctionnement décrit précédemment est un comportement simplifié à l'extrême. De prime abord il est parfaitement possible de considérer le fonctionnement d'un transistor bipolaire comme celui de 2 diodes indépendantes, mais c'est faux car dans la réalité il existe un fort couplage entre les 2 jonctions PN de manière à réaliser l'effet transistor. P N P N P N V <0 V >0 Figure 1 : des jonctions PN pour avoir l'effet transistor. Le comportement décrit précédemment nous amène aux déplacements de courant représentés sur la Figure 2 pour un transistor PNP. A partir de ces informations nous allons mettre en équation ce comportement et tenter d'avoir une relation liant les courants I, et I. I I dp Porteurs minoritaires Idn I dp1 P I' i N P I S I = I dp -I dp1 +I dn -I' i -I S I I dn Porteurs minoritaires Idp I dn1 N I' i P N I S I = -(I dn -I dn1 +I dn -I' i -I S ) Figure 2 : Déplacement des porteurs dans les transistors PNP/NPN en mode direct. ATTNTION : Les orientations des courants I,, I et des courants internes sont les orientations réelles pour le transistor PNP de la Figure 2. oncernant le NPN, les courants internes sont orientés suivant les sens réel, pour les courants I,, I c'est l'orientation Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 2/7

3 hapitre II : Le transistor bipolaire normalisée qui est donnée (convention de signe). {I =I dpi dn I ' i =I dp1 I S} S loi des noeuds au point, I =I I =I dp I dn I ' i I dp1 I posons = I dp1 I I =I dp1, avec [0,95 ;0,999] =. I I S =. I. I S. 1 =. I I S = 1. I 1 1. I S, posons =, avec [20 ;500] 1 =. I 1 1. I S,. I 1 1. I S puisque I S est de l ' ordre du na. =. I II.3. Équations à forts signaux : Dans le semi-conducteur il existe 2 types d'équations de conduction : dn une pour les électrons e -, J n n =q. µ n. n x.q. n. dx l'autre pour les trous p +, J p n =q. µ p. p x.q. p. Auquel on peut ajouter la relation d'instein : q : charge de l'électron = 1, k : constante de oltzman = 1, J.K -1 T : température exprimée en K V T = q 25 mv à 300 K D µ = q A- Modèle d'bers-moll : Nous allons regarder ici un modèle valable uniquement en forts signaux et en mode statique, c'est le modèle d'bers-moll. dp dx I α I.I 2 α D.I 1 I I 1 I 2 Figure 3 : Modèle d'bers-moll du transistor. α D, gain en courant du montage en base commune en mode direct (mode normal), α D 1, β grand, α I, gain en courant du montage en base commune en mode, α I 0. q.v I 1 =I S1. e. 1 Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 3/7

4 hapitre II : Le transistor bipolaire I 2 =I S2. e q.v. 1. ompte tenu des conventions de signes (les courants ont été pris rentrant dans le transistor), α D, α I, I S1, I S2, sont négatifs avec D.I S1 = I.I S2. ATTNTION : e modèle ne tient pas compte des phénomènes de contre-réaction qui sont les phénomènes permettant d'obtenir pour l'effet transistor. q.v q.v I =I 1 I.I 2 =I S1. e. 1 I.I S2. e. 1 q.v q.v =I 2 D.I 1 =I S2. e. 1 D.I S1. e. 1 I = I = I 1 I.I 2 I 2 D.I 1 = I 1. 1 D I 2. 1 I - Mode direct : Dans le mode direct la jonction est polarisée en direct et la jonction est polarisée en. e qui donne au niveau des courants : q.v I 1 I S1. e I 2 I S2 q.v q.v I =I S1. e I. I S2, hors I. I S2 0 I I S1. e { = D. I 1 I 2 I =I 1 I. I 2 I 1 =I I. I 2} = D. I I. I 2 I 2 = D. I 1 D. I. I 2 0 D. I I 2 D. I - Mode : Dans le mode la jonction est polarisée en et la jonction est polarisée en direct. e qui se traduit au niveau des courants : I 1 I S1 D- Montage émetteur commun : q.v I 2 I S2. e q.v D. I S1 I S2.e q.v I S2. e I V I V Figure 4 : Montage émetteur commun en mode direct. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 4/7

5 hapitre II : Le transistor bipolaire q.v I 1 =I S1.e 0 = D. I 0 I = 0 D I = I = 0 = 0 D D = D. I 0 D =. D = 1 1 D I 0 D 1 1 D = D. I D 1 D D, gain en courant du montage en mode direct, 1 D = 1 1 D 1 D, 0 peut ne pas être négligeable 0 = D. I 1 D. 0 - ffet arly : Si on trace le réseau de courbes =f(v ) à I constant et le réseau =f(v ) à I constant on observe que ces réseaux sont convergent vers un point que l'on nomme la tension d'arly. ette tension est très grande elle vaut dans les 130V pour les transistors NPN et 60V pour les PNP. I =constant (β+1) tension d'arly V I =constant 0 = D. I. tension d'arly Figure 5 : Représentation graphique de la tension d'arly. 1V = D. I 1 V I 0 effet arly V F- Limite de saturation : Pour rappel : la jonction est polarisée en direct V 0,7 à 0,8V la jonction est polarisée en direct V 0,7 à 0,8V Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 5/7

6 hapitre II : Le transistor bipolaire V V R R I V I V V V sat Figure 6 : Tension de saturation. V G- Tension de claquage : 1- Montage base commune : V Figure 7 : ourbe 0=f(V ) dans le montage base commune. = D. I =M. D. I, M : facteur de multiplication 1 M = n V 1 V max, 3n6 V max : tension de claquage qu'engendre l'effet d'avalanche. 2- Montage émetteur commun : I = I = I. 1M. D = M. D 1M. D. I 0 Vmax V si M. D 1 I D D n V 1 V max = 1 1 V n max V max V max V max =1 D 1n = 1 1 D 1 n 1 V max V max, avec V max 1 2 V max II.4. Équations petits signaux : Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 6/7

7 hapitre II : Le transistor bipolaire II.5. Limitation HF du fonctionnement du transistor : II.6. aractéristiques des transistors : Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 7/7