Chapitre 3 : Transistor bipolaire à jonction

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1 Chapitre 3 : Trasistor bipolaire à joctio ELEN075 : Electroique Aalogique ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire U aperçu du chapitre 1. Itroductio 2. Trasistor p e mode actif ormal 3. Courats et gai bêta 4. Trasistor pp 5. Caractéristiques courat-tesio 6. Effet Early 7. Effets de la température 8. Modes de foctioemet et exemples de circuits. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.1

2 1. Itroductio Rappelez-vous la joctio p e polarisatio iverse : le courat de saturatio iverse déped du ombre de porteurs mioritaires atteigat, par uité de temps, la régio de déplétio. Ce courat varie très peu avec la tesio iverse. Questio 1 : peut-o augmeter l itesité de ce courat? Questio 2 : peut-o cotrôler ce courat à l aide d u autre circuit? Itérêts : pouvoir cotrôler u courat importat (ue puissace importate) à l aide d u courat faible (ue puissace faible). le courat iverse état idépedat de la tesio iverse, il serait égalemet idépedat de la charge qu il alimete. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.2 Trasistor bipolaire : gééralités Dispositif à trois bores : le courat de collecteur est cotrôlé par le courat de base. Trasistor bi-polaire : le courat est assuré à la fois par le trasport des électros et par celui des trous. Trois régios de type ou p, e alterace deux types de trasistor : p et pp : p : C B p B C pp : E B p B i E E E E i E C p C B : base, E : émetteur, C : collecteur ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.3

3 Costitutio d u trasistor bipolaire p E B C p E : B : p C : S E Remarquez que la surface de la régio active, S E, est relativemet petite par rapport à la surface occupée par le composat. Valeurs typiques : (1 µm) 2 S E (100 µm) 2. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire Trasistor p e mode actif ormal : courats polarisatio directe polarisatio iverse p 1 : ijectio d e 3 : collectio d e 2 : recombiaisos i E 4 : ijectio de trous 5 et 6 : courat de saturatio iverse émetteur E base B collecteur C v BE > 0 et v BC < 0. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.5

4 Pricipe de foctioemet : les processus les plus importats La joctio BE est polarisée e direct : 1. ijectio d électros de l émetteur vers la base Les électros ijectés diffuset das la base, où ils sot des porteurs mioritaires. 2. recombiaisos d u faible pourcetage des électros ijectés Par costructio, la base est courte et peu dopée. U pourcetage importat des électros ijectés parvieet au collecteur sas avoir subi de recombiaiso. La joctio CB est polarisée e iverse. Il y rège doc u champ électrique qui etraîe, vers le collecteur, les électros qui parvieet à cette joctio : 3. collectio ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.6 Processus secodaires 4. La joctio BE état polarisée e direct, des trous sot ijectés de la base vers l émetteur. La joctio CB état polarisée e iverse, il y a u courat de saturatio iverse associé au trasport des mioritaires : 5. des électros, géérés thermiquemet das la base, sot etraîés vers le collecteur, 6. des trous, géérés thermiquemet das le collecteur, sot etraîés vers la base. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.7

5 3. Courat d émetteur ijectio d électros das la base (1.) : i E ijectio de trous das l émetteur (4.) : i Ep i E i E + i Ep, e égligeat le courat de saturatio iverse de la joctio BE. Joctio BE polarisée e direct : i E est de la forme i E I S BE e v BE/V T. Redemet de l émetteur : γ = i E i E + i Ep. Le trasistor est d autat mieux dimesioé que γ s approche de l uité. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.8 Courat de collecteur Au collecteur, essetiellemet la collectio des électros ijectés das la base (3.) collectio. S est la fractio des électros ijectés das la base qui parvieet au collecteur sas avoir subi de recombiaisos, ous avos collectio = B i E collectio = B i E i E B i E = B γ i E i E + i Ep ( ) e v BE/V T (car i E e v BE/V T ) Doc, au premier ordre, e déped pas de la tesio v BC! ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.9

6 Courat de base et gais e courat Courat de base : courat de trous, qui alimete l ijectio des trous de la base vers l émetteur (4.) et les recombiaisos des électros e trasit das la base (2.). Par Kirchhoff, = i E. Gai e courat alpha : α i E = B γ 1. (voir éq. ( )) Gai e courat bêta : β = i E β = α 1 α 1. β varie eviro etre 20 et 200 ; α varie etre 0, 95 et 0,99. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.10 Effet trasistor : cotrôle par la tesio v BE Les courats sot proportioels etre-eux et sot, par coséquet, tous proportioels au facteur e v BE/V T. Les courats du p variet doc de la même maière avec la tesio v BE! Aspect dyamique du cotrôle par le courat de base : supposos que dimiue brusquemet pour ue raiso extérieure au trasistor. 1. Réductio de l apport de trous das la base accumulatio temporaire d ue charge égative. 2. Charge égative accumulée la tesio v B dimiue et doc v BE dimiue. 3. La dimiutio de v BE etraîe ue réductio de l ijectio d électros das la base et, par suite, ue réductio de. 4. Doc, ue dimiutio de etraîe ue dimiutio de! ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.11

7 Dimesioemet de la base Il faut que α = B γ s approche de l uité. B 1 : costruire ue base courte de faço telle que la plupart des électros ijectés parvieet à la joctio CB sas avoir subi de recombiaiso. γ 1 : doper la base faiblemet par rapport à l émetteur. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire Trasistor pp e mode actif ormal polarisatio directe polarisatio iverse p p 1 : ijectio de trous 3 : collectio des trous 2 : recombiaisos i E 4 : ijectio d électros 5 et 6 : courat de saturatio iverse émetteur E base B collecteur C Joctio BE polarisée e direct : v BE < 0, ou v EB > 0 Joctio BC polarisée e iverse : v BC > 0, ou v CB < 0. Pour le pp, o a i E, et e v EB/V T! ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.13

8 Caractéristique -v BE d u p Rappelez-vous que e v BE/V T I T 2 T 2 > T 1 T 1 2 mv/ C V f v BE La règle d or : v BE V f 0,7 V e mode actif ormal (pour des courats O(1 ma)). Notez l effet de la température sur v BE! ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire Réseau de caractéristiques - v CE d u p Saturatio Mode actif ormal Claquage O a 4 > 3 > 2 > 1. v CE sat v CE max v CE Blocage ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.15

9 6. L effet Early (effet de 2 e ordre!) Lorsque v CE augmete, la régio de déplétio de la joctio CB s agradit au détrimet de la base. Il y a doc mois de recombiaisos et augmete légèremet avec v CE. Empiriquemet : = B γ I S BE e v BE /V T 1 + v «CE, V A où V A varie typiquemet de 50 à 100 volts. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire Variatios du gai β e foctio de la température et de Le paramètre β varie beaucoup e foctio de la température du composat et du courat (sur le graphe, h FE = β) : Égalemet, variatios importates des valeurs de β d u composat à l autre. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.17

10 8. U exemple de circuit d amplificatio Tesio d alimetatio : V CC v i V B 0 V R C v out = v CE V B = 1,7 V (cotiue) v i (variable das le temps) = 100 kω V CC = 10 V R C = 5 kω Trasistor e MAN : β = 100 et v BE 0, 7 V. Questio : de combie la tesio de sortie v out varie-t-elle si v i varie de v i? ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.18 v i V B U exemple de circuit d amplificatio (suite) Tesio d alimetatio : V CC Résolutio du circuit : Maille base - émetteur : R C v out = v CE = V B + v i V BE Maille collecteur émetteur : v CE = V CC R C 0 V Trasistor : = β et v BE 0, 7 V Par coséquet : v i = v i, = β v CE = β R C v i. Numériquemet, o obtiet u gai e tesio égal à β R C 5. Notez so sige! (O a égligé v BE et l effet Early à corriger par la suite). ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.19

11 Droite de charge Ce que le circuit d ecadremet doe (partie liéaire) : droite de charge, v CE = V CC R C Ce que le trasistor doe : caractéristiques v CE (partie o liéaire), I CC croissats I CC = V CC R C v CE sat V CC v CE Le poit de foctioemet est doé par l itersectio etre la droite de charge et la caractéristique correspodat au imposé par le circuit d ecadremet. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.20 Régime de saturatio Etrée e saturatio. Si le courat de base est augmeté, le courat de collecteur = β augmete et la tesio v CE dimiue. Comme v CB = v CE v BE, cette tesio dimiue égalemet. Il arrive u momet où v CB passe par zéro et la joctio CB etre e polarisatio directe. Typiquemet, v CE sat 0, 1 V à 0.3 V. Régime de saturatio Les deux joctios sot polarisées e direct : cesse de cotrôler et d d < β. I CC Commet polariser e saturatio? O s arrage pour que > β. Typiquemet β 100 = o pred 0,1. V CC v CE ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.21

12 Régime de blocage (ou régime coupé) Etrée e régime de blocage Si est réduit, = β dimiue et v CE augmete, jusqu à pratiquemet atteidre v CE = V CC. A ce momet, 0 : I CC V CC v CE Régime de coupure Les deux joctios sot polarisées e iverse. Le collecteur et l émetteur sot parcourus par u courat de saturatio iverse (très faible) qui est évacué via. E pratique : o cosidérera que = = i E = 0. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire V U trasistor utilisé comme iterrupteur +15V 1kΩ éteit allumé V i = 0 V : trasistor bloqué, = 0 et = 0. V i = 5 V : trasistor passat, saturatio v CE 0 et I CC 15 V = 15 ma. 1 kω 0V V i Commet choisir pour polariser le trasistor e saturatio? règle du dixième : choisir tel que I CC β 10. Avec β = 100, cela doe 1, 5 ma. Comme = 5 V 0, 7 V, choisir 2, 9 kω. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.23

13 Trasistor comme source de courat E mode actif ormal, varie peu e foctio de v CE. Das ce circuit, la LED est alimetée par u courat dot l itesité est imposée par le circuit base-émetteur et e déped pas (au premier ordre) des chutes de tesio das le circuit du collecteur. +5V 2V 100 Ω i E = 2 V 0,7 V 100 Ω = 13 ma. ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.24 Fiche techique Ici, β = h fe. Remarquez l itervalle des valeurs de β! ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.25

14 Premier trasistor à état solide Bardee, Brattai et Schockley, Bell Labs, ELEN075 : Electroique Aalogique / Trasistor bipolaire 3.26