Composants à semi conducteurs : Transistor bipolaire

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1 Électronique 1 Composants à semi conducteurs : Transistor bipolaire 1 Structure d un transistor bipolaire Constitué de 2 Jonctions PN 2 types de transistors : PNP et NPN Base : peu dopée, très mince, quelques µm Émetteur : Fortement dopé Collecteur Transistor NPN : Transistor PNP : B : Base E : Émetteur C : Collecteur Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 1/18

2 2 Fonctionnement du transistor, cas du NPN Plusieurs cas en fonction de l état des Jonctions : J BE, J BC 2.1 J BE, polarisé en direct Relevés caractéristiques : J BC est en inverse J BE en direct I B = I S B (e V be 1) I S B e V be Comme le collecteur est fortement dopé, les électrons ont tendance à traverser vers la Base et traversent la Base. Un courant I C apparaît I C = I S C (e V be 1) I S C e V be L effet transistor : I C = I V be U S Ce T I B I S B e V be = I S C I S B = β On choisit β >> 1 I C qui est un courant commandé par I B On diminue E C jusqu à avoir J BC polarisé en directe V CE est faible I C I B < β Le transistor est saturé 2.2 J BE polarisé en inverse Les deux Jonctions sont bloquées I B = 0 et I C = 0 Le transistor est bloqué. Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 2/18

3 2.3 Caractéristiques I C I C 2 = I B 2 I C 2 zone de conduction I C 1 = I B 1 I B I B 2 bloqué zone de saturation V CE V BE Équations caractéristiques du transistor idéal : I C I B V CE En conduction : I C = βi B J BE : Jonction en directe : I B = I S G (e V be 1) I C I B I E I E = I C + I B I E = (β + 1)I B Remarque Comme β >> 1 on peut faire l approximation I E I C Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 3/18

4 Si V CE est faible tension de saturation V CE < V CE SAT saturation I C < βi B Transistor bloqué : I C = 0 C I C E En pratique, I C croît avec V CE : I C V CE V CE SAT Pente de β presque constante : I C I B On peut tracer la droite de charge E c I c R c V CE + R C I C = E C I C = E C V CE R C (droite de charge) Dans la zone linéaire : I C βi B on a I C = βi B + V CE ρ ρ : pente de la courbe I C (V CE ) en zone linéaire. Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 4/18

5 Que vaut la valeur de cette pente ρ? Dans le plan I C (V CB (= V CE V BE )), les droites se rejoignent à V A V A : tension de EARLY 2.4 Conclusion Le courant de sortie est commandé par un courant. Le courant de sortie I C dépend peu de la tension de sortie V CE. Vue de l entrée (V be, I B ), c est une diode 3 zones : Bloqué, linéaire (zone active), saturé En pratique, 20 < β < 2000 : Il y a une très forte dispersion du β 3 Cas du transistor PNP C est la même chose en valeur absolue. Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 5/18

6 Caractéristiques : I C = βi B I B = I BS (e V be 1) I C = βi B + V CE ρ 4 Paramètres sensibles aux variations de température Pour une jonction polarisée en direct, on a toujours V BE θ β augmente avec la température 2, 2mV/ C 5 Applications du transistor Le transistor peut fonctionner en interrupteur commandé Transistor en commutation : Relevés : Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 6/18

7 On utilise les zones de saturation et de blocage. E R B V e V s si V e = 0 V be = 0 I B = 0 et I C = 0 V s=e V s=e Pour que le transistor soit saturé, I c E/RC I b E On veut I C < βi B avec I C max = E R I B > E R C β E R c I B choix de R B Avec I B = V e V BE R B = V e 0, 7 R E B R C β On remarque que : V c V s 0 E E 0 C est un inverseur Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 7/18

8 Remarque Transistor à collecteur ouvert : V CC : Niveau 1 Q 6 Exercice 1ère Application : Réalisation de fonctions logiques V CC E1 E 2 S E 1 E 2 S 0 0 V cc 0 V cc 0 V cc 0 0 V cc V cc 0 NOR logique En dynamique, il y a un temps t on t on = t delay (mise en conduction de la jonction et de l établissement de I C Sur le front descendant on a : limitation en fréquence. t stockage + t retard 2ème Application : l amplification en classe A Classe A = polarisation du composant dans la zone active (zone linéaire) 6.1 But de l amplification Obtenir un signal d amplitude supérieure à celle d entrée Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 8/18

9 6.2 Principe de l amplification V CE1 V BE1 = V CE0 V C = V BE0 + V B Il y a amplification si V C > V B On a une amplification + une inversion car V CE décroît lorsque V be croît. Il faut avoir des faibles amplitudes pour que i b reste une fonction linéaire de v be et que le transistor reste dans sa zone active 6.3 Détermination du modèle petits signaux On cherche un modèle valable uniquement pour les variations i C i B v CE v BE V ce = V ce0 + ṽ ce I C = I c0 + ĩ c V be = V be0 + ṽ be I b = I b0 + ĩ b V be0, I b0, V ce0, I c0 : polarisation ṽ ce, ĩ c, ṽ be, (i) b : variation Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 9/18

10 Modèle vu de l entrée : L entrée est une jonction PN I B = I Bs e V be On cherche ĩ b = I b V b ĩ b = βi b 0 β ṽ be I B V be P0 = I BS e Vbe ṽ be = I BS P0 e Vbe P0 ṽ be = I b 0 ṽ be ṽbe ĩ b = β I c0 avec 26mV On fait l approximation que ĩ b r b dépend de la polarisation (I c0 ) D où : ṽ be ĩ b = β 40I c0 v be r b Vue de la sortie : I C I C 0 V C 0 V C I c = βi b + V CE ρ ĩ c = I c I ĩ b + b P0 On a I c I b = β I c V CE = 1 ρ I c V CE P0 ṽ CE ĩ c = βĩ b + ṽce ρ Le schéma équivalent devient : ib ic v be r i b b v ce Valable en petites variations autour du point de fonctionnement polarisé dans la zone linéaire Les pentes sont dues à la tension de EARLY Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 10/18

11 I C I C 0 -V A V CB V CB 0 Ĩ c = pente de V CB avec V CB = V CE + V EB V CB = V CE V BE V BE est négligeable. calcul de la pente I c = I C I C0 = V CB V CE V A + V CB0 D où : 1 ρ = I C0 V A + V CB0 TR de signal r b quelques kω r CE quelques 10kΩ β 100 à 1000 Autres notations : ṽ be = r b ĩ b + 0ṽ CE Matrice hybride ĩ c = βĩ b + 1 ρṽce ṽ be = h 11 0ṽ CE = h 12 βĩ b = h 21 1 = h 22 ρṽce 6.4 Exemple d application Montage émetteur commun : Rôle des composants C ls, C le : Condensateurs de liaison (séparent les composantes continues) R b1, R b2 : Polarisent la base R c : Polarise le collecteur R L : Charge Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 11/18

12 1. Schéma de polarisation Équivaut à : R b1 R b2 R b1 +R b2 E R b2 R b1 +R b2 0,7V E Pour bien polariser le transistor on veut V be0 0, 7V On a sur la sortie V CE = E R C I C0 I C0 = E V CE R c C est l équation de la droite de charge. I c courbe du I b 0 I c 0 VCE 0 V CE I C0 = βi b0 choix de R b1, R b2, E et R C 2. Étude dynamique (petits signaux) Le schéma petits signaux traduit le fonctionnement du point de vue des variations. (C le et C ls négligeables aux fréquences de travail) ib B ic C ls v e r b 2 r b 1 I b r b r CE r C r L V S =V CE R Équivaut à : I b R V S Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 12/18

13 On cherche le gain du montage. ĩ b = ṽe r b ; ṽ S = βĩ b R Alors ṽ S = β ṽer r b ṽ S = βr ṽ e r b C est un amplificateur inverseur Le gain dépend de : β : du transistor R L : la charge R c : composant de la polarisation (r b, r CE ) En général r CE > R C ou R L On peut avoir des gains en tension très élevés (100 à 1000) β : fortes dispersions Le gain dépend d un paramètre que l on maîtrise mal. 3. Représentation des signaux On ne peut pas amplifier un signal continu. Du point de vue de la sortie du transistor on a : i c I b r C r v L CE r CE R ĩ C = ṽce R avec R = R LR C R L + R C Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 13/18

14 Limitation du fonctionnement : Signaux : Inconvénients : Gain dépendant de la polarisation Gain dépend de β Remarque Même sans signal le transistor consomme une puissance pertes. 7 Influence de la température Montage émetteur commun : Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 14/18

15 Évolution avec la température : Lorsque la température augmente, β augmente I C augmente V B R E I C = V BE diminue. Le transistor est constitué de jonctions J BE polarisé en direct (V BE 0, 7V ) V BE θ β 25 C 50 β 175 C 100 = 2, 2mV. C 1 ; β avec la température. conséquences sur l amplification. variation du point de fonctionnement. 8 Stabilisation du point de fonctionnement 8.1 On ajoute une résistance d émetteur La résistance d émetteur stabilise en diminuant le V BE 8.2 Calcul du gain en dynamique Montage avec condensateur de découplage : i b v b r b 2 r b 1 r be I b r C v s r E ṽ s = βi b R c ṽ b = r be i b + R E (β + 1)i b Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 15/18

16 Alors : ṽ s βr c = ṽ b r be + (β + 1)R E Sans résistance R E on aurait : ṽ s ṽ b = βr c r be Le gain est plus faible si β est grand (β + 1)R E βr E > r be ṽ s ṽ e R c R e Ne dépend pas du transistor mais uniquement des résistances. C E court-circuite R E en HF. En continu R E existe stabilisation du point de fonctionnement. Pour 1 jc E ω R E R E court-circuité fort gain. Pour faire l étude en fréquence, on tient compte de C E dans les schéma petits signaux. R E R E //C E R E ṽ s ṽ b = βr c r be+ (β+1)r E 1+R E C E p R E 1 + R E C E p ṽ s βr C (1 + R E C E p) ṽ b (βr E + r be )(1 + R EC E r be p βr E +r be ) βr c (1 + R E C E p) = (β + 1)R E + r be (1 + R E C E p) Contribution du condensateur C le de liaison : Contribution du condensateur C E de découplage : R E non découplé : R E découplé : Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 16/18

17 Diagramme complet : r e est l impédance d entrée du montage. Montage à émetteur commun : Propriétés : Fort gain en tension (dépend de I c0 ) Fort gain en courant Résistance d entrée de l ordre du kω Résistance de sortie importante (dépend de R C ) Montage à base commune : Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 17/18

18 Propriétés : Faible résistance d entrée ( 10Ω) Forte impédance de sortie (dépend de R C ) Fort gain en tension Gain en courant < 1 (dépend de R C R L ) Montage collecteur commun : Propriétés : Forte résistance d entrée (> 100kΩ) Faible résistance de sortie (dépend de I C0 ) Gain en tension 1 Gain en courant important E en Haute Fréquence? Schéma de Giacoletto : Origine des composants : r b : résistance du S.C. ( 100Ω) r be : résistance dynamique C be : dû à la charge stockée ( 100pF ) C bc : dû à la jonction en inverse ( 3pF ) r bc : traduit les variations de dv ce di b (> 3MΩ) Électronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire TELECOM 1A (skulk) Page 18/18