2.2, 2.3, 2.4

TRANSISTORS BIPOLAIRES
CHAPITRE 2
2
Chapitre TRANSISTORS BIPOLAIRES
Le transistor est un dispositif électronique semi-conducteur qui a remplacé avantageusement
l’utilisation de la lampe à vide. À la fin des années 60, les compagnies de produits audiovisuels
axaient leur publicité sur les télévisions à transistors et les radios transistors. La lampe à vide, encombrante, consommant beaucoup d’énergie, avec un coût de production élevé et un délai de
réaction trop long, devenait du même coup reléguée aux oubliettes.
L’invention du transistor en 1947 a provoqué une révolution dans l’histoire de l’électronique. On
n’a qu’à penser aux appareils audio et vidéo, aux électroménagers, à l’informatique, au domaine
de l’automobile, aux appareils médicaux, aux télécommunications, à l’aérospatiale, sans compter
tout le secteur de l’industrie. Dans ce chapitre, on explique le fonctionnement du transistor à travers diverses applications.
Vous verrez d’abord une description complète du transistor bipolaire, de son fonctionnement et
de ses fiches techniques. Par la suite, vous étudierez les différents circuits de polarisation dans des
applications de commutation, d’amplification et d’oscillation.
;aeslgjh jgbj
gbjg sg hhhf hjkoop;y
gbjgbbs hhfhhjkoo p ;y
gjhlkj j
;aesl
;aeslgjhlkjg gbjgbbs gh fhhj
koop;y
bjgbbsghh hjkoop;y dpi
gj gbjg
;aesl
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;y
;aeslgj gbjgbj bsghh hfhh op;y
;aeslgjhlkj jgbbsghh hfhhjko op;y
; a es
gh
hlkjgbj bbs h hjkoop;y dpi
j jgbjgbj bbsghhhf hhjkoop;y
;aeslg
2.1 DESCRIPTION
Le qualificatif bipolaire provient du fait que deux types de porteurs de charge (électrons et trous)
sont nécessaires au fonctionnement de ces transistors. Si un seul élément était employé, soit électron ou trou, on parlerait alors de dispositif monopolaire.
STRUCTURE PHYSIQUE
Le transistor bipolaire est un dispositif à trois éléments ou trois blocs formé de deux jonctions qui
se partagent une couche semi-conductrice commune. La figure 2.1 représente schématiquement
les deux types de transistors bipolaires. Dans le cas du transistor NPN (partie A de la figure 2.1),
la région commune de type P est prise en sandwich entre deux couches de type N. En ce qui a trait
au transistor PNP (partie B), une région N est commune à deux couches de type P. Les trois éléments qui correspondent à chacune des bornes d’un transistor bipolaire à jonctions sont l’émetteur, la base et le collecteur.
Module 4
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2.1
CHAPITRE 2
TRANSISTORS BIPOLAIRES
Figure 2.1 Types de transistors bipolaires
A) Transistor NPN
Émetteur
N
B) Transistor PNP
P
N
Collecteur
Émetteur
P
Base
N
Collecteur
P
Base
On peut représenter les transistors NPN ou PNP à l’aide d’une double jonction, comme le fait voir
la figure 2.2. Chacune de ces jonctions, prise séparément, se comporte comme une diode conventionnelle.
Figure 2.2 Jonctions d’un transistor
E
C
E
C
B
B
Transistor NPN
Transistor PNP
Dans la construction d’un transistor à double jonction, la région base est beaucoup plus petite
que celles de l’émetteur et du collecteur pour permettre l’effet transistor désiré. De plus, comme
son nom l’indique, l’émetteur sert généralement de source de charges mobiles. La région émetteur
contient donc beaucoup plus d’impuretés que la région collecteur. Ce déséquilibre entre les régions E et C facilite une meilleure circulation des porteurs de charge (électrons ou trous) entre les
différents blocs semi-conducteurs.
SYMBOLISATION ET NOTATION
Les symboles des transistors bipolaires sont
représentés à la figure 2.3. La flèche sur la
broche de raccordement d’émetteur précise le
sens du courant lorsque la jonction émetteurbase est polarisée en sens direct. Le sens de la
flèche permet de différencier le symbole
d’un transistor NPN de celui d’un transistor
PNP.
2.2
Figure 2.3 Symboles des transistors
C
B
C
B
E
Transistor NPN
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E
Transistor PNP
Module 4
TRANSISTORS BIPOLAIRES
CHAPITRE 2
Par convention, la notation des courants (IE, IB, Figure 2.4 Notation des transistors
IC) s’exprime à l’aide d’indices représentant
chacune des bornes du transistor. De même, la
tension entre chaque paire de bornes est aussi
indiquée (figure 2.4) au moyen de deux indices.
Par exemple, VCE représente la chute de tension
VCB entre le collecteur et l’émetteur.
B
FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR
IB
VBE
Dans un transistor, les porteurs de charge en
circulation dans les blocs semi-conducteurs
constituent les courants du transistor. Ces porteurs de charge sont issus de la région émetteur, celle qui contient le plus d’impuretés, et
tentent de se diriger vers les deux autres régions qui composent le transistor.
C
IC
VCE
IE
E
Distribution des courants
Sous l’influence d’un champ électrique externe, Figure 2.5 Flux des porteurs de charge
les porteurs de charge du transistor bipolaire
P
N
P
quittent l’émetteur et se séparent dans la région
IE
IC
de la base. Plus de 95 % des porteurs se dirigent
E
C
vers le collecteur, tandis que moins de 5 % se
dirigent normalement vers la base.
B
IB
La figure 2.5 montre le modèle d’un transistor
PNP. Les flèches indiquent en proportion que la
majorité des porteurs de charge de la région
émetteur pénètrent dans la région du collecteur. Comme le courant électrique est directement lié
aux porteurs de charge, il en résulte une distribution des courants dans le transistor (PNP ou
NPN) que l’on peut exprimer en tout temps par la relation :
IE = IB + IC (équation 2.1)
Puisque la direction du courant électrique Figure 2.6 Distribution des courants
dans un transistor suit toujours la direction
de la flèche indiquée à la borne de l’émetteur,
il devient facile d’établir les boucles de courant
dans le transistor (figure 2.6). Comme vous
C
IC
savez que ce même courant électrique circule à
B
partir d’une borne positive vers une borne négative, vous êtes en mesure d’établir la polarité de
E
IB
chacune des bornes des transistors.
En pratique, le courant de base est considéré
comme négligeable (environ 5 % de IE), d’où la
relation :
Transistor NPN
C
B
IB
IC
E
Transistor PNP
IE ≈ IC
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2.3
CHAPITRE 2
TRANSISTORS BIPOLAIRES
Gain
L’étude de la diode conventionnelle a démontré qu’une jonction PN en polarisation directe offre
une faible résistance au passage du courant. Par contre, la même jonction soumise à une polarisation inverse devient très résistive.
Avec sa structure à double jonction, le transistor bipolaire peut mettre à profit chacune de ses
jonctions PN et fonctionner comme un élément amplificateur s’il est soumis à des conditions
spécifiques de fonctionnement :
– circuit d’entrée en polarisation directe;
– circuit de sortie en polarisation inverse.
Dans ces conditions, un faible changement du courant d’entrée amènera un très grand changement (tension ou courant) à la sortie. Cette action fondamentale d’amplification s’obtient grâce
au transfert de courant d’un circuit à faible résistance vers un circuit à grande résistance. Ce phénomène explique l’origine du mot « transistor », résultat de la combinaison des mots de langue
anglaise transfert et resistor ⇒ transistor.
L’unité d’amplification d’un transistor s’appelle gain et s’exprime par la lettre A :
– Av signifie un gain en tension.
– Ai signifie un gain en courant.
– Ap signifie un gain en puissance.
Saviez-vous que…
L’invention du transistor bipolaire à jonctions
De 1920 à 1947, plusieurs chercheurs d’universités du monde entier tentèrent de mettre au
point un amplificateur à semi-conducteurs qui éliminerait les défauts des tubes à vide. Lors
d’une expérience effectuée le 23 décembre 1947, où deux sondes à fil d’or très rapprochées
l’une de l’autre furent enfoncées dans la surface d’un cristal de germanium, les chercheurs
John Bardeen et Walter H. Brattain découvrirent l’amplificateur à semi-conducteurs de la
forme transistor à pointe de contact. Cependant, leurs performances étaient très faibles.
Plus tard, William Schockley s’aperçut que les ennuis provenaient des pointes. Il proposa le
transistor à jonctions en développant presque immédiatement la théorie de son fonctionnement. Les nouveaux dispositifs dépendaient des porteurs de charge de deux polarités : ils
étaient donc des dispositifs bipolaires. Les deux porteurs étaient les électrons bien connus et
d’autres particules étranges. Ces particules étranges, qu’on ne pouvait expliquer qu’à l’aide
de la mécanique quantique, se comportaient comme des charges positives. On les appela des
trous parce qu’elles représentaient des endroits du cristal où il manquait des électrons. La
théorie de Schockley prédisait l’obtention de grandes densités de courant par l’application
de petites tensions.
En 1951, trois ans après l’invention de l’amplification dans un semi-conducteur, les sociétés
RCA, Raytheon, General Electric, Westinghouse et AT&T (American Telephone and Telegraph) produisaient des transistors bipolaires commercialement. Quant à Bardeen, Brattain
et Schockley, ils reçurent le prix Nobel de physique en 1956 pour l’invention du transistor et
pour leur contribution à la compréhension des semi-conducteurs. Ce fut le premier prix Nobel attribué pour un dispositif technique en près de 50 ans.
2.4
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