Les transistors bipolaires

Les transistors bipolaires I. Introduction: Définitions: Le transistor bipolaire est un composant à 3 électrodes comportant 2 jonctions PN. C est un cristal de semi-conducteur dans lequel on peut distinguer 3 segments dopés soit N, soit P, selon l une des deux configurations suivantes (Structures de principe): E N P N C E P N P C B B Les trois segments sont nommés Base, Emetteur et Collecteur et sont munis d électrodes métalliques. B = Base, très mince et très peu dopée E = Emetteur, fortement dopé C = collecteur, volume important et moins dopé que l émetteur. Représentation symbolique: C B= NPN E C B= PNP E Remarque: La flèche sur l émetteur indique le sens passant de la jonction base émetteur. 1

Régimes de fonctionnement: Chacune des jonctions PN peut être polarisée en direct ou en inverse. Il existe donc 4 régimes de fonctionnement du transistor: 1. Quand la jonction d émetteur est polarisée en direct et la jonction de collecteur en inverse, le transistor fonctionne en régime normal. 2. Quand les 2 jonctions sont polarisées en direct, le transistor est saturé. 3. Quand les 2 jonctions sont polarisées en inverse, le transistor est bloqué. 4. Quand la jonction d émetteur est polarisée en inverse et la jonction de collecteur en direct, le transistor fonctionne en régime inverse. En régime normal, le transistor est utilisé comme amplificateur de la puissance du signal. En saturation, le transistor joue le rôle d un interrupteur fermé (résistance entre émetteur et collecteur faible). Quand il est bloqué, il représente un interrupteur ouvert. S il devient alternativement bloqué et saturé, on dit qu il fonctionne en commutation. C est un commutateur électrique commandé par le signal envoyé sur la base. Le régime inverse est rarement utilisé. II. Caractéristiques statiques: Convention sens des courants: I B I C I B I C NPN I E PNP I E Remarque: Pour la suite, on étudiera seulement le transistor NPN. C est le plus utilisé 2

On peut caractériser le transistor par 2 coefficients de transfert : = Coefficient de tranfert du courant d émetteur β = Coefficient de tranfert du courant de base. La jonction Base émetteur est polarisée en direct (régime normal). Les e de l émetteur vont donc traverser facilement cette jonction, et vont se retrouver dans la base, qui est très peu dopée => Peu de recombination e trou s. De plus, la base est mince. Les e venant de l émetteur se retrouvent donc majoritairement à la jonction base collecteur qui est polarisée en inverse. Les e vont alors facilement traverser cette jonction. Le courant de collecteur sera donc presqu entièrement constitué par les e venant de l émetteur. I c = α I E avec [ 0,95; 0,995] Or, on a aussi I B + I c = I E α I B + α I c = α I E = I c I c (1 α) = αi B II cc = αα 1 αα II BB, ssssssss II CC = ββ II BB ( β [ 15; 500] ) On a coutume de représenter la caractéristique d un transistor avec les axes suivants : II cc II BB VV CCCC VV BBBB 1. Courbes V BE = f (I B ) V CE = cste : L ensemble de ces courbes est appelé réseau d entrée. Les courbes correspondent à la caractéristique d une jonction PN en direct 3

2. Courbes I C = f (I B ) V CE = cste : On appelle cette famille de courbes caractéristiques de transfert en courant. Elles sont souvent approximées par une droite et permettent de déterminer β. (II CC = ββ. II BB ) 3. Courbes I C = f (V CE ) I B = cste : On appelle cette famille de courbes caractéristiques de sortie. 4. Courbes V BE = f (V CE ) I B = cste : On appelle cette famille de courbes caractéristiques de transfert en tension. 5. Le réseau de caractéristique complet : 4

6. Valeurs limites absolues : Les valeurs limites absolues sont données dans les catalogues constructeurs. Elles délimitent sur les caractéristiques de sortie du transistor un domaine en dehors duquel l utilisation du transistor est dangereuse : I c max = Valeur du courant du collecteur maximale. V ce max = Valeur de la tension V ce maximale P max : Valeur maximale de la puissance supportée par le transistor. La puissance délivrée par le transistor est maximum quand il fonctionne en régime normal. En régime saturé, elle est relativement faible à cause de la petite valeur de V ce. En régime bloqué, elle est petite à cause de la faible valeur de I E La puissance dissipe par le transistor est déterminée par P = V ce I c Le constructeur donne P max I = P ma x V ce On peut aussi avoir sur les documentations-constructeur : I B max V CB max V BE max 5

III. La polarisation des transistors : Les équations du transistor et ses caractéristiques ne sont pas linéaires. Mais, comme pour le diode, elles peuvent être considérés comme telles par de petits signaux. Les amplitudes des petits signaux peuvent être d autant plus grandes que les sections linéaires des caractéristiques utilisées sont larges. Avant même que le petit signal soit appliqué, le point de fonctionnement du transistor doit être placé dans la zone linéaire de ses caractéristiques. C est le rôle du circuit de polarisation. La polarisation s effectue avec une source d alimentation. Ci-dessous, 2 types de circuits de polarisation : R B R C R 1 R C E E R 2 R E a. Montage à résistance de base. b. Montage à résistance d émetteur Pour calculer le point de polarisation, il faut déterminer les caractéristiques externes (lors des mailles et des nœuds) et les caractéristiques internes (propres au transistor). On obtient ainsi un système à 5 inconnus (I B0, I C0, I E0, V BE0, V CE0 ). L indice zéro signifie qu il s agit des valeurs au point de fonctionnement. Des conditions supplémentaires liées au cahier des charges permettent de trouver la valeur des résistances et du générateur. Exemple de calcul pour le schéma du montage à résistance de base : Conditions externes : On prend deux mailles : V BE + R B I B = E (1) V CE + R C I C = E (2) Conditions internes: II CC = ββ II BB (3) II CC + II BB = II EE (4) 6

Cahier des charges: I C = 10 ma, V CE = 5V On prend un transistor ayant ββ = 100 et V BE = 0,6V On remplace par les valeurs numériques VV BBBB + RR BB II CC ββ = EE (1) Avec (3) 0,6 + R B 10.10 3 100 = E V CE + R C I C = 0 (2) 5 + 5 + R C 10. 10 3 = E 2 équations, 3 inconnues, on ne peut donc pas trouver de solution au système. On choisit alors E = 10V => R B = 94 KΩ R C = 500 Ω Remarque: Avec ce cahier des charges initial, on peut obtenir une infinité de solutions. Solution graphique : À partir des conditions externes, on peut superposer le tracé de ces droites au tracé du réseau de caractéristiques. 7

IV. Modèle dynamique (petits signaux) En régime linéaire, par rapport aux petits signaux, le transistor peut être considéré comme un quadripôle linéaire (voir schéma ci-dessous). Or, le transistor ne comporte que 3pôles. Une de ses bornes sera donc commune à l'entrée et à la sortie du quadripôle. i 2 v 1 i 1 Transistor i 2 v 2 v 1 i 1 v 2 Le transistor comme quadripôle, cas du montage EC Rq : Les courants ii 1 et ii 2, et les tensions v 1 et v 2 sont des petits signaux. Tout quadripôle est caractérisé par deux équations linéaires liant les quatre signaux d entrée et de sortie. Le transistor, en petits signaux sera caractérisé par les paramètres hybrides. v 1 = h 11 i 1 + h 12 v 2 i 2 = h 21 i 1 + h 22 v 2 h 11, h 12, h 21 et h 22 sont les paramètres dynamiques du quadripôle, donc dans le cas considéré, ceux du transistor en montage EC. Pour le montage EC, on a : v 1 = v BE, i 1 = i B, v 2 = v CE, i 2 = i C Le système devient alors : v BE = h 11e i B + h 12e v CE i c = h 21e i B + h 22e v CE L indice e signifie qu il s agit des paramètres dynamiques du transistor en montage EC. h 1 1 e = v BE i B Pour v CE = 0 on obtient : h 2 1 e = i C i B h 1 2 e = v BE v CE Pour i B = 0 on obtient : h 2 2 e = i C v CE 8

On obtient donc le schéma petits signaux suivant : ii BB ii CC vv BBBB h 11ee h 12ee vv CCCC h 21ee ii BB 1 h 22ee vv CCCC Calcul des paramètres dynamiques 1. Calcul de h 12e h 12e est le «coefficient de transfert inverse». Il peut être négligé parce que sa valeur est très faible. h 12e = 10 3 à 10 4 0 Rq : On a déjà vu que V CE a très peu d influence sur V BE (Chapitre I, 1) 2. Calcul de h 11e h 11e est la résistance d entrée du transistor. Comme v BE = dv BE et i b = di B, h 11e = dv BE di B vv CCCC =0 En reprenant la caractéristique V BE = f(i B ) du chapitre I) 1), on voit que la caractéristique est celle d une jonction PN. On peut donc l approximer par V BE l équation d Ebers et Moll : I B = I m V S e T 1 (voir chapitre diodes) II ss II BB VV BBBB di B dv BE = I S mv T. e V BE mv T = 1 V BE I mv S. emv T 1 I T mv B0 car I S I B0 (I S 10 15 A) T Donc h 11e = mv T = r, avec : m : coefficient empirique, m = 2 I B 0 V T = 26 mv (potentiel thermique) I B0 : courant de base de polarisation. Rq : rr est inversement proportionnelle au courant de polarisation de la base. 9

3. Calcul de h 21e h 21e est le coefficient de transfert du courant de base dynamique. Comme i c = di c et i B = di B, h 2 1 e = di C di B vv CCCC =0 Or, I C = βi B donc di C = βdi B + I B dβ On prend souvent β = constante (ce qui n est pas tout à fait exact). Donc di C = βdi B di C di B = β Donc h 21e = β 4. Calcul de h 22e 1/h 22e est la résistance de sortie du transistor. Cette résistance est due à l effet Early. Comme i C = di C et v CE = dv CE, h 22e = di C dv CE i B =0 Donc h 22e représente la pente de la courbe au point de polarisation. On appelle ρ la résistance de sortie du transistor ρ = 1. h 22 e Connaissant le point de polarisation (I c0, V CE 0 ) et la tension d Early, on peut calculer ρ puisque ρ correspond à la pente de la courbe. On obtient ρ = V EA +V CE 0 I C 0 Rq : ρ est inversement proportionnel au courant de polarisation. De plus, sa valeur est très grande ( ). On la négligera donc souvent 10

On obtient le schéma dynamique suivant : ii BB βii BB ii CC vv BBBB rr ρρ vv CCCC V. Les montages amplificateurs à transistors 1. Généralités sur les amplificateurs L amplificateur est un circuit destiné à amplifier la puissance d un signal. Le signal est appliqué à l entrée de l amplificateur par une source représentée par un générateur de tension e G ayant une résistance interne R G. La charge peut être représentée par une résistance R u. L amplification peut être réalisée en amplifiant la tension d entrée v ou le courant d entrée i G ou les deux. RR GG ii 1 ii 2 ee GG vv Amplificateur uu RR uu L amplificateur doit être une fonction linéaire. En augmentant l amplitude du signal, il faut conserver sa forme. Si la forme du signale en sortie de l amplificateur est différente de la forme du signal d entrée, il y a une distorsion de l information portée par le signal. Pour éviter les distorsions, il faut utiliser le transistor dans les sections linéaires des caractéristiques. Symbolisation des amplificateurs : RR GG ii 1 ii 2 ee GG vv RR ee AA vv0. vv RR SS RR uu uu Amplificateur 11

Résistance d entrée : R e = v i 1 Amplification en tension : A V = u v Rq : Gain à vide : A v0 = u v quand R u = + Résistance de sortie : R S = u i 2 quand e G = 0 Amplification en courant : A i = i 2 i 1 = i 2 i 1. u u. v v = i 2 u. u v. v i 1 = 1 R u. A v. R e = A v. R e R u Amplification en puissance : A p = P u = u( i 2) = A P e v.i v. A i = A 2 v. R e 1 R u où P u est la puissance absorbée par R u et P e est la puissance absorbée à l entrée de l amplificateur. Rq : A partir de R e, R S et A v on détermine tout les autres paramètres. 2. Mise en cascade d amplificateurs RR GG ee GG vv AA vv1 vv 1 AA vv2 vv 2 vv nn 1 AA vvnn uu RR uu Étages AA vv1 = vv 1 vv AA vv2 = vv 2 vv 1 AA vvnn = vv nn vv nn 1 Amplification en tension totale : nn A v = A v1. A v2.. A vn = AA ii ii=1 Rq : La résistance de sortie R s de chaque étage intermédiaire joue le rôle de résistance du générateur R G pour l étage suivant. La résistance d entrée R e de chaque étage intermédiaire joue le rôle de résistance de charge R u pour l étage précédent. 12

3. Montage émetteurcommun VV cccc RR 2 RR CC CC 2 RR GG CC 1 BB CC EE vv 2 RR LL ee GG vv 1 RR 1 RR EE CC EE MM Les condensateurs C 1 et C 2 servent à séparer de la source d entrée et de la charge du continu. Ce sont des condensateurs de liaison. Le condensateur C E sert à "court-circuiter" la résistance R E par rapport aux petits signaux. En effet, l impédance du condensateur en régime alternatif sinusoïdal est Z CE = 1 jc E ω donc plus la fréquence est grande plus l impédance est faible. L émetteur est donc relié (du point de vue des petits signaux) à la masse, on a donc un montage émetteur commun. Schéma équivalent petits signaux : RR GG ii 1 ii BB ii CC ii 2 βii BB ee GG vv RR 2 RR 1 rr vv BBBB ρρ RR CC RR uu uu Résistance d entrée : R e = v i 1 = R 1 // R 2 // r Résistance de sortie : R S = u i 2 quand e G = 0, donc R s = ρ // R c Amplification en tension : A v = u v et i B = v r De plus, u = β. i B (ρ // R c // R u ), donc u = β. v r (ρ // R c // R u ) A v = β r (ρ // R c // R u ) 13

Amplification en courant : A i = i 2 i 1 = A v. R e R u = β(ρ // R c // R u )(R 1 // R 2 // r) r.r u Amplification en puissance : A p = P u P e = A v. A i = β2 (ρ // R c // R u ) 2 (R 1 // R 2 // r) r 2.R u 14