4.2 Instruments. 4.3 Théorie du transistor. Transistor à jonction 1 LE TRANSISTOR À JONCTION

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1 Transistor à jonction 1 LE TRANSISTOR À JONCTION 4.1 But de l expérience 1. Tracer la courbe caractéristique d un transistor 2. Afficher la caractéristique à l écran d un oscilloscope 3. Utiliser le transistor comme amplificateur de tension 4.2 Instruments 2N3638 (transistor de type p n p composé de silicium épitaxial); Pile de 3 volts; Générateur de tension continue; Voltmètre; Milliampèremètre; Variac; Oscilloscope; Résistance de 1kΩ; Résistance variable de 100kΩ; Condensateur de 50µF. 4.3 Théorie du transistor Le transistor bipolaire constitué d une succession de trois couches de matériaux semiconducteur, placées en alternance pnp (ou npn). Le terme jonction réferre à la jonction pn du dispositif. Le terme bipolaire, plus rèpandu maintenant, réferre à la présence des deux types de matériau p et n dans le dispositif. Le segment du centre (B) est appelé base et les autres, émetteur (E) et collecteur (C) (Fig. 1a). Pour illustrer le fonctionnement du transistor on utilisera les diagrammes pour le type pnp dans lequel le courant est porté par les trous chargés positivement. En renversant les signes de tous les voltages et courants, et en changeant la direction des flèches les diagrammes pourraient illustrer le fonctionnement du type npn de transistor. Le transistor à première vue ressemble à deux diodes en séries, dos à dos (Fig. 1b). Le symbole pour un transistor pnp est montré à la Fig. 1c; la direction de la flèche sur l émetteur est un rappel qu il y a une diode qui permet aux trous positifs de passer dans la base. Un dispositif fait réellement de deux diodes ne serait pas tellement utile. La différence est que dans un transistor, la base dont le matériau est de type n, est très mince. la plupart des trous sont attirés vers le collecteur, lorsque le courant passe au travers de la jonction base émetteur, si le potentiel ngatif de celleci (jonction) est accru, et s il y a relativement très peu de trous neutralisés par des électrons dans la base. (c.f. Description d une diode semiconductrice dans l appendice de l expérience 1).

2 2 Transistor à jonction Comme le montre la figure 1.d), un courant pourra maintenant circuler entre la base et l émetteur si une pile est branchée de telle sorte que la jonction soit polarisée dans la direction positive. Une seconde pile est placée entre le collecteur et l émetteur. Il n y aura pas de courant induit par cette pile seule car elle polarise dans le sens inverse la jonction np basecollecteur. Lorsque la pile attaché à la base est branchée, les trous sont accélérés de l émetteur à la base. Si la base est suffisamment mince, la plupart des trous se trouvent balayés de la base et passés au collecteur ce qui entraine le passage d un courant électrique de la base vers ce dernier. Relativement peu de trous sont neutralisés par des électrons dans la base, causant un courant dans le fil de la base. (voir Fig. 1d). Le courant au collecteur (I c ) est donc plusieurs fois plus grand que le courant de la base (I b ): I c I b 1, et I e = I b I c tel que I e I c Le signal d entrée consiste en de petites fluctuations de voltage qui sont ajoutées au voltage stable de l émetteurbase. Ceci produit des variations δi b du courant dans cette jonction en polarisation directe accompagnées par des variations beaucoup plus grandes du courant du collecteur, δi c. Le facteur d amplification du courant, ou gain β = δi c /δi b est alors grand. Une résistance placée dans le circuit du collecteur aura donc un voltage proportionnel au voltage d entrée, mais beaucoup plus grand. De plus, comme la base reçoit très peu de courant de l émetteur, le voltage appliqué à la base n absorbe que très peu de puissance (puissance = voltage x courant), et l on peut donc obtenir une forte amplification. B 1a) C p n p E 1b) B C B pnp _ VB 1c) E 1d) IB C p n p E IC _ VCE Figure 1: Tensions et courants dans un circuit comprenant un transistor

3 Transistor à jonction 3 Figure 2 : Exemple de courbes caractéeristiques d un transistor Lorsque l on veut caractériser un transistor, les trois variables les plus fréquemment choisies sont le voltage V ce du collecteur, le courant I b de la base et le courant I c du collecteur. Le courant de l émetteur n est pas mesuré car il est à peu près égal au courant du collecteur. Le voltage entre la base et l émetteur n est quand à lui pas mesuré car il correspond à la polarisation de la jonction et est très difficile à déterminer.

4 4 Transistor à jonction 100 kω variable 27 kω µα 3V battery b c e ma V 0 30V Power supply Figure 3 : Circuit utilisé pour obtenir les caractéristiques d un On peut observer le comportement de ces variables en gardant une constante et en faisant varier les deux autres. Les courbes obtenues sont appelées courbes caractéristiques. La figure 2 nous montre un exemple. On utilise souvent les transistors pour amplifier un très petit voltage. Par exemple, les voltages présents dans l antenne d une radio ou d une télévision vont de 10µV à 100µV et doivent donc être amplifiés jusqu à atteindre quelques volts, de façon à pouvoir faire marcher les hautparleurs ou le tube cathodique. Ce que l on appelle un petit signal est en fait une petite variation de voltage autour des courants et voltages continus moyens. C est pour cette raison que la partie utile des courbes caractéristiques se situe autour de cette région continue autour du point de fonctionnement défini par les tensions continues du collecteur et de la base. Ainsi, les propriétés du transistor utilisé pour amplifier de petits ignaux sont définies par les dérivées partielles soient les pentes des courbes caractéristiques près de la région continue. Il ne faut toutefois pas oublier que l on suppose dans ce cas que l amplification est linéaire. Cette approximation est très importante car elle signifie que les signaux d entrée et de sortie ont la même forme, donc qu il n y a pas de distortion. Or il faut savoir que les signaux plus importants peuvent difficilement être amplifiés sans distortion. 4.4 Méthode Dessinez les courbes caractéristiques I c en fonction de V c en gardant I b constant. Faites ceci pour plusieurs valeurs de I b comprises dans l intervalle 30µA 80µA. Dans la région continue (V ce = 10V, I c = 5ma), déterminez:

5 Transistor à jonction 5 La résistance dynamique collecteur émetteur ) Le gain en courant β = R c = ( Vce I c I b, amplitude du signal au collecteur amplitude du signal d entrée à la base = ( ) Ic Les dérivées partielles sont définies par le symbole. Elles signifient que l on varie le numérateur et le dénominateur en gardant les quantitées à l extérieur des parenthèses constantes. Ne dépassez pas les quantités maximales spécifiées sur le transistor. De plus, prenez soin de ne pas dépasser la puissance maximale que le collecteur peut supporter. Ceci peut se produire même si le voltage et le courant sont en dessous des limites. La résistance de 27kΩ est placée dans le circuit pour limiter le courant passant dans la base. 4.5 Utilisation de l oscilloscope pour observer les caractéristiques Cette section de l expérience va vous permettre d utiliser l oscilloscope pour observer directement les caractéristiques du transistor. Toutefois, comme l obtention de valeurs numériques exactes est difficiles, il n est pas requis de fournir des quantitées. Pour obtenir la caractéristique à l écran, le point lumineux de l oscilloscope doit décrire répétitivement la courbe. Pour y arriver on applique un voltage alternatif aux bornes de V ce. Puisque nous ne sommes interessés que par les valeurs négative des voltages, on élimine la partie positive à l aide d un circuit redresseur (diode). On branche le signal V ce sur la borne X de l oscilloscope. Pour obtenir la courbe I en fonction de V, le courant I c doit être branché sur la borne Y. Pour ce faire on obtient un voltage proportionnel à I c entre les bornes de la résistance de 1kΩ. Le milliampèremètre branché sur le circuit du collecteur mesure maintenant la moyenne du courant sur un cycle, ce n est qu à titre d indication car il n a pas vraiment de signification dans le circuit montré. L une des difficultés pratiques de ce montage est reliée au fait que l une des bornes de la prise X et de la prise Y sont mis à la terre. Ils sont donc I b V ce.

6 6 Transistor à jonction en contact. Il est par conséquent indispensable de monter le circuit avec la résistance de 1kΩ placée du coté émetteur du circuit émetteur collecteur, de façon à ce que la prise de terre de l émetteur soit la même pour I c et V ce. Le coté de la borne mis est à la terre est arbitrairement choisi, et certains oscilloscopes ont même un contact interne, ce qui fait que l on obtient une image symmétrique de la caractéristique à l écran. On ne peut rien faire pour changer cela. La base de temps interne de l oscilloscope n est pas utilisée pour obtenir. les caractéristiques. Donc, placez le bouton sur EXTERNAL XINPUT Obtenez les courbes caractéristiques I c en fonction de V ce pour plusieurs valeurs de I b et vérifiez que les courbes obtenues sont les mêmes que celles de vos graphes. 27 kω µα b 3V battery ground c e 1kΩ ma Oscilloscope x input y input Ιc 6.3 V AC stepdown transformer 110V AC Variac 110V AC Figure 4 : Circuit de visualisation des caractéristiques d un transistor sur un oscilloscope Quantités maximales à ne pas dépasser Puissance dans le collecteur V cb (émetteur ouvert) V ce (base ouverte) V eb (collecteur ouvert) I c 300mW 25V 25V 4V 500mA

7 Transistor à jonction Visualisation de la Caractéristique du transistor utilisé comme amplificateur de voltage NE PAS FAIRE CETTE PARTIE Pour obtenir de bon résultats, n utilisez que des voltages de quelques volts. Il n est bien sur pas possible d obtenir une voltage de sortie supérieur à V ce. Si vous essayez vous devriez pouvoir observer des distortions importantes. Par conséquent, vous aurez une amplification linéaire dans l intervalle de voltages 10mV à 100 mv. Les conditions DC sont maintenus, comme précédemment, par une pile de 3 V et une résistance de 100kΩ, ce qui contrôle le courant dans le circuit de la base. Les voltages variables sont superposés à cette région continue en utilisant un condensateur qui bloque le courant continu, mais laisse passer les variations. La constante de temps dand le circuit d entrée condensateur résistance doit être longue comparativement à la période des oscillations du signal de façon à éviter une altération de la forme de ce dernier. ma 100 kω variable 3V battery µα 27 kω b 1 kω c e Signal Generator mv Double beam oscilloscope (input) (input) Y1 Y2 V 0 30V Power supply Circuit visualisant un transistor comme amplificateur de tension On fait passer le signal d entrée δv b dans le circuit de la base. Ceci crée une variation de courant δi c dans le collecteur. Cette variation de courant est transformée en variation de voltage par la résistance de 1kΩ placée dans le circuit du collecteur. L amplification du voltage est définie comme étant le voltage de sortie divisé par le voltage d entrée.

8 8 Transistor à jonction Amplification = V c V b Estimez l amplification du voltage en mesurant à la fois V c et V b sur l oscilloscope. Si vous avez un oscilloscope avec 2 canons à électrons, il est plus pratique de montrer les deux signaux à la fois. L un des signaux sera beaucoup plus petit que l autre. Il vous faudra donc utiliser 2 échelles (cm/volt) de voltage très différentes pour pouvoir comparer les formes. Notez que les deux signaux sont déphasés l un par rapport à l autre. L amplificateur inverse donc le signal. Pourquoi?