Le Transistor BipolaireL'Effet Transistor - Le Transistor Bipolaire :
3. 1. - JONCTION N.P.N.
Associons à la jonction N.P. précédemment décrite un matériau dont la conductibilité est de type N de telle manière que l'on obtienne la suite : N.P.N. (représentée sur la figure 7-a).
Les jonctions sans polarisation ne présentent pas un grand intérêt. Dans le cas de la figure 7-a, il y a plusieurs manières d'organiser cette polarisation. Pour tout dire, une seule nous intéresse et nous couperons court en l'aménageant selon la figure 7-b.
En partant de la gauche, la jonction N1P est polarisée dans le sens direct par la pile B1. Plus à droite, la pile B2 polarise la jonction PN2 dans le sens inverse.
Quels sont les courants qui circulent dans les circuits extérieurs reliés à B1 et B2 ?
Dans celui de B1, nous constatons la présence du flux d'électrons des porteurs majoritaires du courant IF.
Les électrons libres de la zone N1 affluent dans la zone P où ils sont captés par l'électrode reliée au pôle + de la pile B1.
Dans le circuit de B2, seul un courant infime circule. Il est dû aux porteurs minoritaires de la jonction PN2 qui est polarisée en inverse.
Ce courant, souvenez-vous, est dû à la charge d'espace (effet de pile), créée près de la jonction, par la présence d'anions côté P (ions négatifs) et de cations côté N2 (ions positifs).
Le champ électrique e résultant, favorise la circulation d'électrons des porteurs minoritaires de la zone P vers la zone N2.
Jusqu'à présent, ce montage ne présente pas un gros intérêt. Il faut donc faire quelque chose pour que cela change.
Si on évite aux électrons de N1, de se recombiner dans la zone P et de sortir par cet endroit, ils pourront venir renforcer le courant d'électrons des porteurs minoritaires causé par la polarisation de B2.
Pour arriver à ce résultat, quel artifice pouvons-nous employer ?
Ne pas laisser le temps aux électrons de se recombiner dans la zone P et d'être soumis au champ e qui les transférera vers la zone N2, sous-entend une épaisseur de la zone P très faible.
Amincissons la zone P autant que possible et reconsidérons les courants (figure 7-c).
Dans le circuit de B1, ne circule plus désormais qu'un courant très faible. Par contre, nous constatons un courant important dans le circuit de B2.
Le courant des porteurs majoritaires de N1 est transféré, en grande partie, dans la zone N2 où il est attiré par le pôle positif de B2.
Seule une faible partie de ce courant circule dans le circuit de B1. Quelques électrons ont le temps de se recombiner dans la zone P et sont attirés par le pôle positif de B1.
Il est intéressant de constater que la somme des courants sortant des zones P et N2 est égale au courant injecté dans N1.
Cette description constitue ce que l'on appelle : l'effet transistor.
Il faut bien être conscient que ce phénomène physique revêt une importance capitale pour l'électronique de par les possibilités de miniaturisation qu'il offre.
La somme d'électrons collectée en N2 et P est égale à celle émise par N1. Nous venons de trouver un nom à chacune des électrodes reliées aux zones N1 et N2 :
-
celle de N1 portera le nom d'émetteur
-
celle de N2 celui de collecteur.
La base de tout ce cheminement repose sur le faible courant sortant de P. L'électrode reliée à cette zone portera le nom de base.
En effet, sans le courant de base, il n'y a aucun courant d'émetteur et, par conséquent, aucun courant collecteur (à l'exception du courant inverse de la jonction PN2).
Par ailleurs, pour diminuer encore les recombinaisons dans la zone P, donc pour améliorer le rapport entre le courant de collecteur et celui du courant de base, on dopera moins cette zone.
Celle-ci possédant moins de trous, les recombinaisons seront moindres et le rapport IC / IB en sera amélioré.
Si la géométrie de la zone N2 (le collecteur) est telle qu'elle permette une meilleure collecte des électrons, nous améliorerons encore ce rapport (figure 8).
Les mouvements des électrons libres n'étant pas forcément rectilignes, si la surface du collecteur est plus importante que celle de l'émetteur, la collecte des électrons ne peut être que favorisée. Le transistor prend alors l'aspect de la figure 8.
La dimension du collecteur favorise la collecte des électrons (d'où un meilleur rendement).
Ce type de transistor à jonction prend aussi l'appellation de : transistor bipolaire.
Sur la figure 7-c, nous voyons que le courant collecteur est composé de la façon suivante :
-
une grande partie du courant émetteur, environ 0,9 fois celui-ci
-
le courant inverse de la jonction PN2, que l'on appelle ICBO (courant résiduel collecteur-base).
D'autre part, le courant base est constitué par :
-
une faible partie du courant émetteur
-
le courant ICBO.
Le courant base est donc constitué de deux courants en sens opposé.
Nous constatons, qu'à l'aide d'un faible courant base IB, sous une faible tension B1 (polarisation directe de la jonction N1P), on contrôle un courant collecteur important IC, sous une tension B2 plus élevée que celle de B1.
En résumé :
A l'aide d'une très faible puissance, on contrôle une puissance beaucoup plus importante.
Le transistor est un amplificateur de puissance.
Il faut savoir qu'il existe aussi d'autres façons d'organiser l'association de matériaux de type N et P.
Entre autres, celle qui conduit au transistor P.N.P. L'explication du phénomène est semblable mais, dans ce cas, le dopage prenant l'apparence d'une injection de lacunes ou trous, on raisonne par le déplacement de ces trous.
La figure 9 représente les courants de trous dans le transistor P.N.P.
En réalité, le courant d'électrons circule dans le sens opposé (n'oubliez pas que si des lacunes se déplacent, c'est parce que les électrons viennent les combler).
4. - LE TRANSISTOR BIPOLAIRE
Nous savons qu'il en existe deux types qui résultent de l'organisation des matériaux N et P. Il s'agit :
-
des transistors N.P.N.
-
des transistors P.N.P.
Ces deux familles peuvent être réalisées en germanium ou en silicium. Ce dernier est le matériau le plus répandu désormais pour la fabrication des transistors.
La figure 10 représente une symbolisation fréquente de ces transistors.
Ce type de transistor à jonction prend aussi l'appellation de : transistor bipolaire.
Sur la figure 7-c, nous voyons que le courant collecteur est composé de la façon suivante :
-
une grande partie du courant émetteur, environ 0,9 fois celui-ci
-
le courant inverse de la jonction PN2, que l'on appelle ICBO (courant résiduel collecteur-base).
D'autre part, le courant base est constitué par :
-
une faible partie du courant émetteur
-
le courant ICBO.
Le courant base est donc constitué de deux courants en sens opposé.
Nous constatons, qu'à l'aide d'un faible courant base IB, sous une faible tension B1 (polarisation directe de la jonction N1P), on contrôle un courant collecteur important IC, sous une tension B2 plus élevée que celle de B1.
En résumé :
A l'aide d'une très faible puissance, on contrôle une puissance beaucoup plus importante.
Le transistor est un amplificateur de puissance.
Il faut savoir qu'il existe aussi d'autres façons d'organiser l'association de matériaux de type N et P.
Entre autres, celle qui conduit au transistor P.N.P. L'explication du phénomène est semblable mais, dans ce cas, le dopage prenant l'apparence d'une injection de lacunes ou trous, on raisonne par le déplacement de ces trous.
La figure 9 représente les courants de trous dans le transistor P.N.P.
En réalité, le courant d'électrons circule dans le sens opposé (n'oubliez pas que si des lacunes se déplacent, c'est parce que les électrons viennent les combler).
4. - LE TRANSISTOR BIPOLAIRE (NOUS RÉPÉTONS LA MÊME LEÇON DÛ AUX SCHÉMAS)
Nous savons qu'il en existe deux types qui résultent de l'organisation des matériaux N et P. Il s'agit :
-
des transistors N.P.N.
-
des transistors P.N.P.
Ces deux familles peuvent être réalisées en germanium ou en silicium. Ce dernier est le matériau le plus répandu désormais pour la fabrication des transistors.
La figure 10 représente une symbolisation fréquente de ces transistors.
On constate que l'émetteur est différencié du collecteur par une flèche.
Cette flèche ne représente pas le sens de circulation des électrons, mais le sens conventionnel du courant électrique, c'est-à-dire le sens de déplacement des trous. Il faut donc veiller à ne pas faire de confusion entre ces deux manières de représenter la circulation des charges électriques.
Pour une question de normalisation, dans les schémas, nous devons utiliser le sens conventionnel.
Le domaine d'application des transistors bipolaires s'étend du courant continu aux fréquences radio (U.H.F. : Ultra Haute Fréquence).
La puissance dissipée sur leur collecteur va de quelques centaines de milliwatts à plusieurs centaines de watts selon les types.
En fonction de la destination des montages, dans lesquels ils interviennent, nous trouvons trois montages fondamentaux, permettant d'utiliser au mieux leurs caractéristiques et énumérés ci-dessous :
-
émetteur commun
-
collecteur commun
-
base commune
La figure 11 symbolise ces trois montages.
Dans l'émetteur commun, on applique le signal d'entrée entre base et émetteur, on recueille le signal de sortie entre collecteur et émetteur (l'électrode d'émetteur est commune aux deux signaux). C'est le montage le plus répandu, il permet d'obtenir entre l'entrée et la sortie un gain de puissance.
Dans le montage collecteur commun, le signal d'entrée est appliqué entre base et collecteur, le signal de sortie est recueilli entre émetteur et collecteur. Il permet l'obtention d'un gain en courant.
Dans le montage base commune, le signal d'entrée est appliqué entre émetteur et base, le signal de sortie est recueilli entre collecteur et base. Il permet d'obtenir un gain en tension entre l'entrée et la sortie.
La figure 12 regroupe les principales qualités de ces trois montages.
Les principales grandeurs électriques qui caractérisent le transistor sont au nombre de 4 :
Deux pour le circuit d'entrée :
-
le courant de base IB
-
la tension base-émetteur VBE
Deux pour le circuit de sortie :
-
le courant collecteur IC
-
la tension collecteur-émetteur VCE.
Les deux grandeurs se rapportant au circuit d'entrée correspondent à la caractéristique d'une diode (jonction base-émetteur). Par conséquent, on retrouve la polarisation dans le sens direct (permettant l'obtention d'un courant collecteur) et la polarisation dans le sens inverse, avec le phénomène d'avalanche quand cette tension devient trop élevée (figure 13).
En général, cette valeur est donnée par le constructeur car elle est destructrice et ne doit pas être atteinte (VBE (BR)).
Les grandeurs électriques de sortie, courant collecteur IC en fonction de la tension collecteur-émetteur VCE, sont relevées pour différents courants d'entrée IB.
Cette caractéristique comporte trois zones :
-
la zone de fonctionnement à saturation
-
la zone de fonctionnement linéaire
-
la zone d'avalanche.
La figure 14 représente une de ces caractéristiques.
On regroupe les caractéristiques statiques du transistor en réseaux de courbes sur quatre quadrants, dont la figure 15 donne un exemple.
Le quadrant
1 de
cette figure représente la caractéristique de sortie : IC
= fonction de VCE
pour différentes valeurs de IB.
Elle permet de déterminer les éléments suivants :
-
la résistance de sortie
-
le gain en courant
-
la droite de charge.
Le quadrant
2
représente la caractéristique de transfert direct : IC
= fonction de IB.
Elle permet l'étude du comportement du transistor :
-
pour des signaux faibles
-
pour des signaux forts.
Le quadrant
3 représente la caractéristique
statique d'entrée : VBE
= fonction de IB.
Elle permet l'étude :
-
de la résistance différentielle d'entrée
-
de la droite d'attaque.
Le quadrant
4 représente
la caractéristique de transfert inverse : VBE
= fonction de VCE
pour différents courants IB.
C'est le coefficient de réaction de la sortie sur l'entrée.
Un grand nombre de paramètres permettent de définir un transistor. Parmi ceux-ci, nous trouvons les paramètres h (paramètres hybrides, tirés du calcul matriciel).
Ce sont ceux que l'on utilise le plus fréquemment, aussi, allons-nous les énumérer à titre indicatif et, nous vous rappelons que ces derniers ont été largement expliqué dans la leçon d'électronique fondamentale (voir cette leçon).
h11 ; il
est tiré du quadrant 3
Il représente la résistance différentielle d'entrée :
h11 = DVBE / DIB = re exprimée en ohm
Ce rapport représente la valeur de la tangente à la caractéristique tracée pour le VCE considéré, en regard des variations de VBE et IB.
h12
; il est tiré du quadrant 4
et
représente le coefficient de réaction de la sortie sur l'entrée :
h12 = DVBE / DVCE = µ c'est le rapport entre deux tensions, donc sans unité.
h21 ; il
est tiré du quadrant 2 et représente le
transfert direct ou gain en courant :
h21 = DIC / DIB = b rapport entre deux courants, donc sans unité.
h22 ; il
est tiré du quadrant 1 et représente l'invers de la résistance de sortie ou conductance :
h22 = DIC / DVCE = 1 / rs exprimé en siemens
En principe, le constructeur donne les réseaux des quadrants 1 et 3.
Les paramètres h sont souvent suivis, en indice, d'un E qui affecte ces paramètres au montage en émetteur-commun.
Exemple : h21E = 100 pour IC = 5 mA.
Ce qui signifie, qu'en montage émetteur-commun, ce transistor a un gain en courant de 100 pour un IC de 5 mA, ce qui correspond à un courant de base de 0,05 mA.
Pour éviter d'encombrer cette leçon, nous allons continuer la procédure des transistors bipolaires en régime saturé et en régime bloqué correspondant à l'électronique digitale...
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