Jonction bipolaire. 1.La diode 1.1 Schémas Par Gilbert Gastebois. Transistor. Bipolaire. + + I p. I n

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1 Bipolaire 1.La diode 1.1 Schémas Jonction bipolaire ar Gilbert Gastebois Transistor I n I p N 1,5 V e (V) 1, ,5-1 -1,5 Au niveau de la jonction N, des trous du côté pénètrent spontanément du côté N et des électrons du côté N pénètrent spontanément du côté. Ce faisant, le côté se charge négativement et le côté N positivement. Cela crée un potentiel électrostatique V e qui freine ce transfert. Le potentiel se stabilise quand le passage des trous de vers N est compensé par le retour libre des trous de N vers. Même chose pour le passage des électrons de N vers compensé par le retour de vers N.

2 1.2 Étude de la jonction sous tension nulle Nous faisons le raisonnement pour les trous, le raisonnement étant le même pour les e -. D'après la statistique de Maxwell-Boltzmann, la probabilité qu'un trou passe le potentiel Ve est proportionnelle à N p exp(-ev e /kt) e = 1, C k = 1, J/K T en K N p densité de trous du côté. L'intensité correspondante est donc I p = N p e v exp(-ev e /kt) v vitesse moyenne de déplacement des trous En sens inverse, les trous passés du côté N revenant librement vers donnent un courant d'intensité I n = N n e v N e densité de trous du côté N. A l'équilibre, I p = I n donc N n = N p exp(-ev e /kt) 1.3 Étude de la jonction sous tension U entre et N En imposant une tension U entre et N, la tension à la jonction est modifiée de U. On a donc : I p = N p e v exp(-e(v e - U)/kT) I n n'est pas modifié. I n = N n e v = N p e v exp(-ev e /kt) I = I p I n = N p e v exp(-ev e /kt) (exp(eu/kt) 1) On pose N p e v exp(-ev e /kt) = I p I = I p (exp(eu/kt) 1) On a la même chose pour les électrons donc l'intensité totale est la somme des deux courants. I = (I p I n )(exp(eu/kt) 1) I = I (e eu/kt 1) Cette formule suppose que la résistance r de la plaque est nulle (diode idéale). Si on tient compte de r, il faut tenir compte de la chute ohmique ri qui diminue U donc on obtient : I = I (e e(u r I)/kT 1),15 I(A) T = 2 C = 293 K,1 r = 1 W I = 2, A,5 U(V) -,6 -,4 -,2,2,4,6,8 1 I = I (e 39,5(U r I) 1) La courbe orange représente la caractéristique de la diode idéale ( r = ) I = I (e 39,5 U 1)

3 2. Le transistor 2.1 Schémas E B N Ib Ic C, , ,6 Le transistor N est constitué de deux zones séparées par une fine zone N. La zone de gauche, l émetteur E est fortement dopé, la zone N centrale, la base B est faiblement dopée et la zone de droite, le collecteur C est moyennement dopé. I c R I b B C V ec V eb E E

4 2.2 Gain en courant La jonction N entre E et B se comporte comme une diode, quand on impose une tension V eb suffisante, un fort courant de trous circule entre E et B, I e = I (exp(ev eb /kt) - 1) mais comme la base est très fine, la grande majorité des trous la traverse sans s annihiler et s'écoule vers le collecteur où ils trouvent un potentiel attractif. Seule une faible proportion participe au courant de base I b. On a donc I b = I c /b ( b étant, selon la largeur de la base, compris entre 5 et 2 ). Le résultat est qu'un faible courant I b ''produit'' un fort courant I c qui lui est proportionnel. Le transistor se comporte alors comme un amplificateur de courant. I c = b I b ( I e = I c I b = (b 1) I b ) Remarques : Si I b est nul, I c n'est pas strictement nul car la résistance de l'ensemble n'est pas infinie, il y aura un ''courant de fuite'' I c donc une formule plus précise serait I c = I c b I b Cependant dans la pratique I c est très faible et la formule I c = b I b est tout à fait suffisante même pour I b = (transistor bloqué ) où I c = I c D'autre part, b n'est pas exactement égal au rapport du nombre de trous qui atteignent le collecteur au nombre captés par la base car il est diminué par les électrons qui passent de la base à l'émetteur, ceux-ci augmentant I b sans influer sur I c. On minimise cet effet en dopant faiblement la base ce qui y réduit la densité d'électrons. 2.3 oint de fonctionnement du transistor En émetteur commun, on place une résistance R entre le générateur de tension E et le collecteur (cf Schéma ). Dans ces conditions, l'intensité I c vaudra I c = (E -V ec )/R = b I b I c = b I b V ec = E - b R I b I c (A),6 C'est le point de fonctionnement du transistor. On choisit I b pour avoir V ec voisin de E/2,4 E = 1 V R = 2 W V eb =,654 V I b = 2,5 ma oint de fonctionnement,2 5 V ce (V) 1 I c = 25 ma V ec = 5 V b = Saturation du transistor Quand on augmente V eb, I c augmente et V ec diminue jusqu'à tendre vers. A ce moment I c ne peut plus augmenter, il atteint un maximum I cmax. I c ne dépend plus de I b. On dit que le transistor est saturé. V ec ne peut pas s'annuler car le transistor a une résistance interne r et donc à la limite : V ec = r I c max = E R I c max I c max = E/(R r) V ec = r E/(R r)

5 I c (A) 1,8,6,4 Transistor saturé E = 1 V R = 2 W r = 1 W V eb =,79 V I b = 7,5 ma,2 5 V ce (V) 1 oint de fonctionnement I cmax = 476 ma V ec =,476 V 2.4 Relation b = f(v ec ). Tension d'early En principe, hors saturation, l'intensité I c ne devrait dépendre que de V be et pas du tout de V ec, tant que V ec est suffisant. b devrait être constant ( transistor idéal ). Cependant l'expérience montre que I c augmente un peu avec V ec et donc que b augmente légèrement avec V ec, ce qui veut dire que le pourcentage de trous qui traversent la base augmente avec V ec. L'explication est que la largeur effective de la base n'est pas exactement la largeur physique. Elle correspond plutôt à la zone contenant des charges. Cette zone a tendance à rétrécir quand on augmente V ec, cela réduit la largeur effective de la base et donc augmente le gain b. Early a proposé la relation suivante ( V ea tension d'early ) : b = b m (1 V ec /V ea ) V ea étant quasiment une constante ( elle dépend légèrement de V eb ). b m est le gain minimum.,6,5,4 I c (A) V ea = 3 V (valeur faible pour mieux visualiser l'effet) b m = 85,7,3,2,1 V ce (V) Courbes correspondant à I b = 1 ma, 2 ma, 3 ma 4 ma et 5 ma En réalité, les droites ne sont pas parfaitement concourantes, V ea varie un peu avec V eb donc avec I b. our le transistor NN, tout est identique à condition d'inverser les tensions.