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1 Chapitre 3 : TRANSISTOR BIPOLAIRE I. INTRODUCTION Inventé en 1948 par les Américains J. Bardeen, W. Brattain et W. Shockley, le transistor est un composant à semi-conducteur qui remplit deu fonctions essentielles en électronique: l'amplification (c'est un générateur de fort courant en sortie commandé par un faible courant en entrée) la commutation (interrupteur marche/arrêt). II. CONSTITUTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UN TRANSISTOR Un transistor bipolaire est un composant à semi-conducteur constitué de 2 jonctions P-N, très proches l'une de l'autre. On pourrait dire qu'un transistor contient 2 diodes. Un transistor est formé de 3 zones (N-P-N ou P-N-P selon son type), tel qu'illustré sur le dessin ci-dessous. Chaque "zone" est reliée à une électrode: base (B) : la base, on le constate, est très mince ; son épaisseur est de l'ordre de quelques microns seulement ; émetteur (E) : fortement dopé ; collecteur (C) : moyennement dopé. Symbole Transistor NPN Transistor PNP Abdelhaq KHERRAS Page 31

2 Il eiste deu manières de disposer les jonctions P-N pour fabriquer un transistor: une zone N, une zone P et une zone N: on a alors un transistor NPN (c'est le modèle le plus répandu); une zone P, une zone N et une zone P: on a dans ce cas un transistor PNP. III. EFFET TRANSISTOR ET GAIN EN COURANT Considérons le montage représenté sur le dessin ci-dessous. La jonction E-B est polarisée dans le sens passant, mais la jonction B-C, polarisée en inverse, est bloquée. Il circule donc un courant de E à B, appelons-le Ib. La base est une zone très étroite et les électrons qui arrivent de l'émetteur vont certes se combiner avec les "trous" (peu nombreu) de la base, mais ils seront en majorité fortement attirés vers la zone du collecteur par le champ électrique créé par la polarisation inverse de la jonction B-C: il en résulte, sous l'effet d'avalanche, un important courant de collecteur, Ic. C'est ce qu'on appelle l'effet transistor qui se traduit par la relation simple. I C = α I E Où α est le gain en courant en base commune (α < 1). En introduisant la relation entre courants I E =I C + I B on obtient la formule fondamentale du transistor : I C = β.i B avec. β étant le gain en courant du transistor. Pour donner un ordre de grandeur, le gain en courant peut varier de 10 à 500, voire 1000, selon le modèle de transistor. Quand la tension collecteur-émetteur CE diminue pour devenir très faible, la jonction B-C cesse d'être polarisée en inverse, et l'effet transistor décroît alors très rapidement. A la limite, la jonction B-C devient aussi polarisée en direct: on n'a plus un transistor, mais l'équivalent de deu diodes en parallèle. On dit que le transistor est saturé. Abdelhaq KHERRAS Page 32

3 En fonction du courant I B injecté sur sa base, le régime de fonctionnement du transistor sera différent. Pour étudier le régime de fonctionnement d un transistor, il faut dissocier chaque jonction. Cela conduit à l étude de deu circuits : le montage sur la jonction BE : le circuit de commande le montage sur la jonction CE : le circuit commandé Le circuit de commande définit si le transistor est passant ou bloqué suivant la polarisation de la jonction BE (direct ou inverse). De plus, le circuit commandé va limiter la valeur des courants IC et IE. Ils ne pourront donc pas dépasser une certaine valeur malgré l effet transistor. Ainsi, si IB devient trop important, IC ne pourra pas dépasser la valeur maimum fiée par le montage commandé et la jonction BC deviendra passante : le transistor sera saturé et il n eistera plus une relation linéaire entre IB et IC. Puisque les deu jonctions BC et BE sont passantes, la différence de potentiel entre les jonctions C et E sera très faible. Il apparaît trois régimes de fonctionnement : transistor bloqué : I B = 0 I C = 0 transistor passant : I B > 0 et I C = β I B CE 0 transistor saturé : I B > 0 et I C = I Csat CE = CEsat # 0.2 I MONTAGES FONDAMENTAUX I. 1. Montage base électrode commune Dans la leçon précédente nous avons étudié le fonctionnement du transistor polarisé. On peut reprendre ce schéma d'une manière plus conventionnelle en ajoutant R E et R C (R E permettant de régler d'une manière plus pratique la valeur du courant I E à partir de la source E E ; R C servant aussi à déterminer I C à partir de E C, mais possédant une fonction importante : miner I C à partir de E C, mais possédant une fonction importante : résistance de charge que nous analyserons plus tard). R E R C E E I E I B I C E C La base étant le point de référence des sources de polarisation, nous appelons ce montage : BASE ELCTRODE COMMUNE ou BASE COMMUNE (B.C). I C = α I E + I CB0 Abdelhaq KHERRAS Page 33

4 I C + I B - I E = 0 I. 2. Montage Emetteur électrode commune Si nous fions maintenant l'émetteur comme électrode commune : point de référence des sources de polarisation, nous obtenons le schéma de la figure ci-contre Remarquons que la jonction Base-Emetteur est bien polarisée en direct. En réglant les sources de polarisation et les valeurs des résistances R B et R C, nous obtenons une polarisation inverse de la jonction Base-Collecteur avec CE > BE. Pour CB = CE - BE (dans l'ordre des potentiels), l'émetteur étant le point commun, pour un courant I B = 0 (jonction Base-Emetteur ouverte), il eiste un courant résiduel Collecteur-Emetteur I CE0. I C R C I B R B E C E B I E Pour une variation du courant I B, nous obtenons une variation du courant I C telle que I C = β.i B d'où l'équation des courants en Emetteur Commun. I C = β.i B + I CE0 On retrouve l'équation trouvée dans la leçon précédente qui nous permet d'écrire α β = 1 α β : Transfert en courant en émetteur commun, En outre, nous avons I CE0 = (β + 1) I CB0. Le courant de repos en émetteur commun est (β + 1) fois plus grand que celui en Base Commune. I. 3. Montage collecteur électrode commune En fiant maintenant le collecteur comme électrode commune, point de référence des polarisations, pour obtenir l'effet transistor, il faut que : la polarisation de la jonction base-collecteur soit inverse la polarisation de la jonction base-émetteur soit direct, obtenue par le réglage des alimentations et résistance pour EC > BC Abdelhaq KHERRAS Page 34

5 I E R C I B R B E C E B I C L équation des courants en collecteur commun est : I E = γ I B + I CEO L'intérêt de ces montages découle de l'étude de leurs caractéristiques. Mais nous n'étudierons que le montage Emetteur Commun, de loin le plus utilisé.. CARACTERISTIQUE STATIQUES EN EMETTEUR COMMUN Pour déterminer le réseau des caractéristiques statiques il suffit de mesurer les courants et tension soit : I B - I C - BE - CE en réglant les sources d'alimentations et résistances E B - R B - E C - R C Considérons le montage Emetteur Commun. Nous déterminerons, à partir de l'équation I C = β.i B le circuit de Base comme étant le circuit d'entrée où circule le courant I B et le circuit collecteur comme le circuit de sortie où circule le courant I C. Nous avons donc 4 valeurs qui caractérisent le transistor en Emetteur Commun à l entrée : I B - BE à la sortie : I C - CE. 1. Réseau des caractéristiques R C I B I C R B A CE E C E B BE I E Abdelhaq KHERRAS Page 35

6 Pour tracer ce réseau, il suffit de fier une des valeurs comme constante et de déterminer les 2 autres à partir de la variation de la 4 ème. soit I C = f( CE ) I C = f(i B ) } pour IB = cte } pour CE = cte BE = f( CE ) BE = f(i B ) Nous obtenons ainsi le réseau de caractéristiques de la courbe ci-dessous. A partir de ce réseau, nous allons déterminer les paramètres statiques en considérant un point commun dans les 4 réseau : le point de fonctionnement. 2 Transfert en courant 8 I C ma 2N Caractéristiques de sortie I B µa CE =5 P2 6 4 P ,2 50 µa 40 µa 30 µa 20 µa 10 µa CE 0,4 P3 CE =5 Caractéristiques d'entrée Quadrant 1 : Caractéristiques de sortie 0,8 BE P4 3 4 I C = f ( CE ) pour I B constant Réaction interne µa 10 µa 30 40µA Pour I B = 0, nous avons le courant résiduel I CE0 qui est pratiquement indépendant de la tension et très faible. Au-dessus d'une certaine valeur de CE, les courbes sont pratiquement rectilignes. On définit le paramètre de sortie Abdelhaq KHERRAS Page 36

7 ρ S = d dice C pour I B = Cte ρ S : résistance différentielle de sortie Eemple : point de référence pour P 1 Pour CE = 5 I B = 30 µa I C = 3mA d CE = 7 di C 0,3mA 7 d'où ρ S = 3 0, K Quadrant 2 : Transfert en courant On définit le paramètre I C = f(i B ) pour CE constant β = di di C B à CE = cte β : paramètre de transfert direct en courant Eemple : Point de référence pour P 2. Au point P 2 I B = 30µA I C = 3mA CE = 5 di B = 35µA di C = 4,2mA d'où β = 120 Quadrant 3 : Caractéristique d'entrée I B = f( BE ) à CE = Cte. On définit le paramètre ρ E = d dibe Eemple : Au point P 3 B : résistance différentielle d'entrée. Pour I B = 30µA BE = 0,62 CE = 5 di B = 30 µa d BC = 30 m ρ E = = 1 KΩ Abdelhaq KHERRAS Page 37

8 Quadrant 4 : Réaction interne On définit le paramètre BE : f( CE ) pour I B constant µ E = d d Eemple au point P 4 Pour BE CE à I B = cte µ E : paramètre de transfert inverse en tension CE = 5 I B = 30µA BE = 0,62 d BE 1m d CE 8 à 10 3 µ E = = Equation du courant I C On peut établir une nouvelle équation du courant I C en 1 point donné I C = I CE0 + βi B + CE ρ SE I.LIMITES D'UTILISATION D'UN TRANSISTOR I C 2 3 ❶Tension ma. collecteur-émetteur ❷Limite pour BE = CE ❸Courant ma. au collecteur ❹Droite pour I B = 0 soit I CE0 ❺Hyperbole de dissipation ma.: P = CE I C = Cte CE Les valeurs limites sont définies par le constructeur selon la technologie du transistor. Eemple : 2 N 1711 I CB0 = 10 na à 25 C et 10 µa à 150 C CE = 50 ma. P C = 800 mw à 25 C et 200 mw à 150 C I C = 500 ma ma. Abdelhaq KHERRAS Page 38

9 II. DROITE DE CHARGE A R C CE E C I E Sur le schéma d'étude initial du transistor en Emetteur Commun, on a placé une résistance de charge RC dans le circuit de sortie. Appliquons la loi d'ohm à ce circuit. EC = RCIC + CE Pour tracer cette droite, il suffit de faire IC = 0 CE = EC CE = 0 IC = Ec Rc CE I C = - + R C Cette droite dont la pente est fonction de la résistance RC est la droite de charge du circuit de sortie Eemple : EC = 8 RC = 1000 Ω IC = 8mA Cette droite coupe celles du réseau IC = f(ce) pour différents IB. Fions un point P : intersection de la droite I B = 30µA et de la droite de charge. Nous l'appellerons «point de fonctionnement» correspondant à CE = 5 et I C =3mA du circuit de sortie. E R C C Abdelhaq KHERRAS Page 39

10 I B µa Transfert CE =5 P E C R C I C ma 0,2 0,4 2N 1711 Sortie P µa E C 40 µa 30 µa 20 µa 10 µa CE P3 CE =5 0,8 P4 µa 10 µa 30 40µA Entrée Réaction interne BE II. DROITE DE TRANSFERT EN COURANT C'est la courbe tracée dans le réseau des caractéristiques I C = f(i B ) à CE = cte. On y déterminera le point de fonctionnement P 2. I B µa Transfert CE =5 P E C R C I C ma 0,2 0,4 2N 1711 Sortie P µa E C 40 µa 30 µa 20 µa 10 µa CE P3 CE =5 0,8 P4 µa 10 µa 30 40µA Entrée Réaction interne BE Abdelhaq KHERRAS Page 40

11 III. DROITE D'ATTAQUE R B I B A E B BE I E Appliquons la loi d'ohm au circuit d'entrée E B = R B.I B + BE La pente de la droite dépend de la valeur de R B. Prenons R B = 30 KΩ Un point de cette droite est connu puisqu'il correspond au point de fonctionnement déterminé par : Nous tirons I B = 30µA BE = 0,62 E B = 1,15 Il est alors aisé de tracer cette droite correspondante à la charge du circuit d'entrée ou circuit d'attaque du transistor comme nous le verrons plus tard. Son équation sera BE I B = + R B E R B B Transfert 8 I C ma 2N 1711 Sortie 6 CE =5 4 P2 2 I B µa P ,2 50 µa 40 µa 30 µa 20 µa 10 µa CE 0,4 P3 CE =5 0,8 P4 µa 10 µa 30 40µA Entrée E B Réaction interne BE Abdelhaq KHERRAS Page 41

12 IX. AMPLIFICATEURS A FAIBLES SIGNAUX IX. 1. Identification du transistor au quadripôle i B i C i 1 i 2 v BE v CE v 1 v 2 Paramètres hybrides v i2 1 = i v 1 [ h ]. 2 h h avec [ h ] = 21 h h 22 v 1 = h 11.i 1 + h 12.v 2 i 2 = h 21.i 1 + h 22.v 2 On définit les paramètres comme suit : v 1 h 11 = : Impédance d entrée, sortie cc té i1 v2 = 0 v 1 h 12 = : Paramètre de transfert inverse en tension v2 i1= 0 i 2 h 21 = = β : Paramètre de transfert direct en courant i1 v 2 =0 i 2 h 22 = : Admittance de sortie, entrée ouverte v2 i1= 0 IX. 1. Montage amplificateur en émetteur commun Un transistor possède, on l'a vu, trois conneions, ou "pattes". On procède toujours (ou presque) de manière à ce qu'il y ait une patte commune à l'entrée et à la sortie du montage, d'où trois montages possibles: en émetteur commun: l électrode commune est l'émetteur, l'entrée est la base et la sortie le collecteur en base commune: l électrode commune est la base, l'entrée est l'émetteur et la sortie le collecteur en collecteur commun: l électrode commune est le collecteur, l'entrée est la base et la sortie l'émetteur Le montage en émetteur commun est sans aucun doute le montage fondamental; il réalise la fonction amplification, essentielle en électronique. C'est lui que nous allons Abdelhaq KHERRAS Page 42

13 brièvement étudier. Montage élémentaire en émetteur commun. IX. 2. Mise en oeuvre du montage en émetteur commun La mise en oeuvre d'un transistor requiert: une alimentation continue CC, qui fournit les tensions de polarisation et l'énergie que le montage sera susceptible de fournir en sortie; des résistances de polarisation. un ou des condensateurs de liaison. Le plus souvent, le branchement de la source alternative d'entrée sur le montage se fera par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison placé entre la source et le point d'entrée du montage à transistor (la base s'il s'agit d'un montage en émetteur commun). La résistance R B fie le courant de base I B, ce qui détermine un courant de collecteur I C =βi B. Le courant collecteur étant fié, la tension au bornes de R C est égale, en vertu de la loi d'ohm, au produit R C.I C. Pour calculer les résistances R B et Rc, il faut alors partir de Ic et de ceo. On fie un courant collecteur de repos Ic (courant de polarisation). Ce courant variera entre une dizaine de µa et une dizaine de ma. On fie ensuite une tension de collecteur CE généralement égale à cc/2, de sorte que la tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsqu'on appliquera le signal alternatif. La valeur de la résistance de collecteur R C = (cc - CE )/I C. La valeur de la résistance de base R b = (cc - BE )/I B, en prenant BE = 0,7 et I B =I C /β. Abdelhaq KHERRAS Page 43

14 Le montage étudié ci-dessus se révèle, dans la pratique, difficilement eploitable, en tout cas peu fiable. On a plutôt recours à un montage qui ressemble davantage à celuici, dont la base n'est pas polarisée par une unique résistance, mais par un pont de résistances: RB1 Rc RB3 Rc RB3 Rc eg C RB2 Re Q Ce cc Q = eg + RB4 eg RB4 Q C B i B h 11 i C C B Q + BE h 12 v CE h 21 i B 1/h 22 CE E - E Montage fonctionnel en émetteur commun avec polarisation par pont de base. X. LE MONTAGE "Darlington" Le montage Darlington associe deu transistors, l'émetteur de l'un étant relié à la base de l'autre, les collecteurs étant directement raccordés à la tension d'alimentation, comme indiqué sur la figure ci-dessous: RB1 C3 Q cc eg RB2 Re2 0 Montage darlington Ces deu transistors ainsi montés se comportent comme un seul transistor, dont le gain β est égal au produit des gains des deu transistors. On se doute qu'il s'agit, grâce à ce montage, d'obtenir une forte amplification. L'impédance d'entrée d'un tel montage est très grande et son impédance de sortie très faible. A noter qu'il eiste dans le commerce des transistors appelés "Darlington", qui Abdelhaq KHERRAS Page 44

15 remplacent le montage du même nom. A titre d'eemple, voici les principau paramètres de l'un d'eu: Type Package CES ma I C ma P TOT h 21 min h 21 ma PNP () (ma) (mw) compl. BC875 TO >1000 BC878 CES signifie tension collecteur-émetteur, avec BE = 0. Le modèle référencé BC875 est un NPN moyenne puissance (presque 1 watt); son PNP "complémentaire" est le BC878. XI. LE MONTAGE "push-pull" Le montage push-pull (push, en anglais, signifie pousser, pull signifie tirer), encore appelé montage symétrique, est un grand classique en amplification de puissance des signau alternatifs. oici, brièvement, son principe: Ce montage est construit autour de deu transistors, un NPN noté T1 et son PNP complémentaire, noté T2. Les deu transistors conduisent le courant de collecteur tour à tour, pendant une alternance du cycle alternatif. Ce qui revient à dire que chaque transistor est bloqué pendant une demi-période du signal alternatif et passant durant l'autre. Pour obtenir une amplification correcte, il est ici nécessaire d'employer deu transistors complémentaires (mêmes paramètres, seule la polarité, NPN ou PNP, diffère) et une alimentation symétrique. XII. LE TRANSISTOR UTILISE EN COMMUTATEUR Le transistor remplit, outre l'amplification, une autre fonction essentielle en électronique: la commutation. Selon qu'il est bloqué ou passant, on peut alors l'assimiler à un interrupteur, ouvert ou fermé. Bien entendu, la commande de cet Abdelhaq KHERRAS Page 45

16 interrupteur n'est pas "manuelle": elle se fait par l'intermédiaire de signau électriques. Dans ce petit montage, le transistor NPN ou PNP pilote une DEL de visualisation selon le niveau logique, haut ou bas ("1" ou "0"), du signal d'entrée. Le 2N2222 est un transistor NPN destiné à la commutation rapide (high-speed switch, en anglais). oici ses principau paramètres: Type number Package CE ma I C ma P TOT h FE min h FE ma f T () (ma) (mw) (MHz) 2N2222 TO Utilisé en commutateur, le transistor permet de réaliser des fonctions très complees. Le montage ci-dessus, associant un transistor PNP et un transistor NPN, équivaut à une porte logique NON. Lorsque la tension d'entrée e est nulle, le transistor NPN est bloqué, la tension de sortie s est égale à la tension d'alimentation. Si la tension d'entrée e est égale à la tension d'alimentation cc, c'est le transistor PNP qui est Abdelhaq KHERRAS Page 46

17 bloqué et alors la tension de sortie s est égale à 0. Ce montage est réalisé à l'aide de transistors complémentaires. XII. DESIGNATION DES TRANSISTORS Comment identifier un transistor? Il eiste au moins trois normes de codage: la norme américaine JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), la norme européenne Pro Electron et la norme japonaise JIS (Japanese Industrial Standards). La norme JEDEC affecte le préfie 1N au diodes, le préfie 2N au transistors, thyristors et triacs. ient ensuite un numéro de série à quatre chiffres, puis éventuellement un suffie, facultatif. Le suffie A signifie "faible gain", B signifie "gain moyen", C signifie "gain élevé". Eemples: la 1N4148 est une diode, le 2N2222A est un transistor à faible gain. La norme Pro Electron impose un codage comportant trois informations: une première lettre désigne le matériau semi-conducteur utilisé, une deuième lettre renseigne sur la nature du composant, puis vient un groupe de trois chiffres (pour les produits "grand public") ou deu chiffres et une lettre (produits industriels). oici un récapitulatif simplifié: A: diode, signal C: transistor, low power, audio frequency B: silicium D: transistor, power, audio frequency F: transistor, low power, high frequency R: switching device, low power (e.g. thyristor) U: transistor, power switching Y: diode, rectifier 100 à 999 ou 10 à 99 + lettre Eemples: la BA159 est un diode signal, le BC547 est un transistor faible puissance, le BD135 est un transistor de puissance. Certains fabricants ont inventé leur propre codage "maison". oici quelques préfies courants: Abdelhaq KHERRAS Page 47

18 MJ: Motorola, puissance, boîtier métallique MJE: Motorola, puissance, boîtier plastique (eemple: MJE3055) MPS: Motorola, faible puissance, boîtier plastique TIP: Teas Instruments, puissance, boîtier plastique (eemple: TIP35C) Cette petite liste, bien entendu, n'est pas ehaustive Principau paramètres des transistors bipolaires La fiche technique complète (data sheet) d'un transistor quelconque comporte plusieurs paramètres. En réalité, tous les paramètres ne présentent pas le même intérêt. Dans la pratique, le choi d'un modèle de transistor ne dépendra que de quelques paramètres. CEMa I CMa Tension collecteur-émetteur mai, ou tension de claquage. Au delà de cette tension, le courant de collecteur I C croît très rapidement s'il n'est pas limité à l'etérieur du transistor. Courant de collecteur mai. A partir de cette valeur, le gain en courant va fortement chuter et le transistor risque d'être détruit. h 21 (β) Gain en courant (paramètre essentiel en amplification). P TotMa Puissance mai que le transistor pourra dissiper, donnée par la formule: CE I c. Attention, un transistor, ça chauffe! CESat Tension de saturation (utile en commutation). A titre d'eemple, voici ce qu'on peut trouver dans un catalogue de fabricant: Type number Package CE ma I C ma P TOT h 21 min h 21 ma f T () (ma) (mw) (MHz) 2N3904 TO N3906 TO BC337 TO BC547 TO BD135 TO > Abdelhaq KHERRAS Page 48

19 "Package" signifie "boîtier": il eiste de nombreuses formes de boîtier, qui sont codifiées. En voici quelques eemples: S'agissant du brochage de tel modèle particulier, il est impératif de se reporter à sa data sheet ou à un catalogue. Le BC547 est sans doute l'un des transistors les plus répandus et il remplace bien souvent, sans autre forme de procès, des modèles moins courants. Si vous envisagez de constituer un stock, le BC547 et le 2N2222 sont des références à choisir en priorité Abdelhaq KHERRAS Page 49