Cours sur les transistors bipolaires à jonction

Le premier transistor inventé était le transistor bipolaire à jonction (TBJ). C’est le type de transistor qu’utilisent le plus souvent les passionnés qui bricolent des circuits dans leur garage. Un TBJ est constitué de deux jonctions P-N qui ont été fusionnées pour former une structure à trois couches. Le transistor comporte donc trois sections. À chacune de ces sections est fixée une connexion. Les trois connexions sont  appelées  la base,  le collecteur et l’émetteur. On distingue deux types de transistors bipolaires :

  • Le transistor NPN : une couche fine de semi-conducteur de type P entre deux fragments plus épais de semi-conducteur de type N
  • Le transistor PNP : une couche fine de semi-conducteur de type N entre deux fragments plus épais de semi-conducteur de type P

Pour l’essentiel, le transistor bipolaire comporte deux jonctions P-N : la jonction base-émetteur et la jonction base-collecteur. En contrôlant la tension appliquée à la jonction base-émetteur, on contrôle la polarisation de cette jonction (directe ou inverse), et, en fin de compte, le courant électrique traversant le transistor.

Les transistors à effet de champ

Un transistor à effet de champ (TEF) est constitué d’un semi-conducteur ou canal de type N ou P pouvant être traversé par un courant, et d’un matériau différent, disposé sur une section du canal et qui en contrôle la conductivité.

Une des extrémités du canal est la source, l’autre étant le drain,  tandis  que  le  système  de  contrôle  est  appelé  la grille.  En appliquant une tension à la grille, on peut contrôler la circulation du courant entre la source et le drain.

Une connexion est fixée à la source, une autre au drain et une autre à la grille. Certains TEF comportent une quatrième extrémité métallique qui permet de les fixer dans le châssis du circuit (toutefois, il ne faut pas confondre ces créatures à quatre pattes avec les transistors MOSFET grille double, qui ont aussi quatre broches).

Les TEF peuvent être constitués d’un canal de type N ou P, selon le type de matériau semi-conducteur. Il existe deux grands sous-types de TEF : l e MOSFET  (TEF  métal-oxyde-semi-conducteur)  et  le JFET  (TEF  à jonction). Tout dépend de la façon dont la grille est conçue. Pour  chaque type, les propriétés électriques et les utilisations seront différentes. Les détails de la fabrication des grilles sortent du cadre de ce livre, mais il faut que vous connaissiez les noms de ces deux principaux types de TEF.

Les TEF (et en particulier les MOSFET) sont devenus bien plus courants que les transistors bipolaires dans l’assemblage des circuits intégrés, un sujet abordé au Chapitre 7, qui réunissent des milliers de transistors servant à accomplir ensemble une tâche déterminée. En effet, ce sont des éléments de faible puissance et leur structure permet de les grouper par milliers sur un seul morceau de silicium.

Une décharge électrostatique (DES) peut être fatale à un TEF. Si vous vous procurez des TEF, prenez soin de les conserver dans un sac ou un tube antistatique et de ne les en sortir qu’au moment de les utiliser. Pour plus  de  détails  sur  les  dégâts  que  peuvent  provoquer  les  DES

Principe de fonctionnement d’un transistor

Fondamentalement, le fonctionnement des TBJ et des TEF est le même.

Selon la tension appliquée à l’entrée (à la base pour un Transistor Bipolaire à Jonction ou à la grille pour  un  Transistor à Effet de champs),  le  courant  circulera  ou  ne  circulera  pas  à  travers  le transistor (du collecteur à l’émetteur pour un TBJ, de la source au drain pour un TEF).

  • Au-dessous d’une certaine tension, il n’y a aucun courant.
  • Au-dessus d’une certaine tension, il y a le maximum de courant possible.
  • Entre  ces  deux  niveaux  de  tension,  un  courant  d’intensité intermédiaire circule.

Lorsque  la  tension  est  comprise  entre  ces  deux  niveaux,  de  petites fluctuations  du  courant  d’entrée  se  traduisent  par  de  grandes fluctuations  du  courant  de  sortie.  En  ne  permettant  que  les  deux premières possibilités de tension (tout ou rien), on fait du transistor un simple interrupteur. La troisième possibilité permet d’utiliser le transistor comme un amplificateur.

Pour comprendre comment fonctionne un transistor (et, de façon plus spécifique, un TEF), pensez à un tuyau reliant une source à un drain et muni d’une valve contrôlable

Comment fonctionne réellement un transistor ?

Si vous êtes curieux de savoir comment l’application d’une tension à une

jonction P-N dans un transistor bipolaire peut permettre de contrôler le courant traversant le reste de ce transistor, cette section vous concerne.

En revanche, si le mouvement des électrons libres et des trous dans un semi-conducteur  dopé  ne  vous  intéresse  pas  particulièrement,  vous pouvez sauter cette section et passer directement à la section « Un modèle pour comprendre les transistors ».

Pour voir de plus près comment fonctionne un transistor, examinons un transistor  de  type  NPN.  La Figure ci-après  représente  la  structure  d’un transistor NPN comportant une fine section P entre deux sections plus épaisses de type N. La section de type P constitue la base même du transistor et comporte une connexion vers l’extérieur. Une des deux sections de type N est l’émetteur, l’autre le collecteur. L’émetteur et le collecteur  ne  sont  pas  interchangeables  :  ils  sont  dopés  de  façon différente,  si  bien  qu’ils  ne  présentent  pas  la  même   concentration d’électrons libres. La base étant très fine, elle contient bien moins de trous  disponibles  qu’il  n’y  a  d’électrons  libres  dans  l’émetteur  et  le collecteur. Cette différence est importante.

Émission et collecte d’électrons

Un  transistor  NPN  comporte  deux  jonctions  P-N  :  la jonction  base-collecteur (jonction P-N entre la base et le collecteur) et la jonction base-émetteur (jonction P-N entre la base et l’émetteur). C’est comme si l’on accolait deux diodes ensemble, anode contre anode. Supposons que l’on relie deux sources de tension différentes à travers les deux jonctions (Figure 6-13) : une source, VCE, applique une tension continue positive entre le collecteur et l’émetteur, tandis que l’autre source, VBE , applique une tension continue positive entre la base et l’émetteur. Si VCE > VBE, alors la tension au niveau de la base est inférieure à la tension au niveau du collecteur.

La jonction base-collecteur est alors polarisée en inverse et n’est traversée par aucun courant. En élevant VBE à 0,7 V environ (la tension directe d’une jonction P-N en silicium), ou davantage, on polarise en inverse la jonction base-émetteur, si bien qu’elle est traversée par un courant.

Le  courant  qui  traverse  la  jonction  base-émetteur  est  constitué  des électrons libres qui traversent l’émetteur. L’émetteur envoie (émet) ses électrons  vers  la  base  (les  électrons  sont  poussés  par  une  force extérieure, provenant de la source reliée au collecteur).

Ce quoi le gain en courant d’un transistor ?

Quand on accroît l’intensité du courant circulant vers la base, IB, il se passe  quelque  chose  d’intéressant  :  l’intensité  du  courant  vers  le collecteur, IC , s’accroît aussi. Quand le courant vers la base diminue, le courant vers le collecteur également. La relation entre le courant de la base et le courant du collecteur (1 % – 99 %) reste vérifiée quand le courant vers la base varie (dans certaines limites, comme on le verra dans la section « Saturer le transistor »

Les  variations  du  courant  au  niveau  du  collecteur  correspondent exactement aux variations du courant au niveau de la base, mais en bien plus intense. C’est la raison pour laquelle les transistors sont considérés comme des amplificateurs de courant, même s’ils ne font en réalité que le contrôler, et non en produire un plus fort. Le courant traversant le collecteur est proportionnel au courant qui traverse la base. Si l’on utilise le transistor comme amplificateur, on peut éviter de compliquer le circuit en  configurant  le  transistor  avec  d’autres  composants  (comme  les résistances)  de manière  à  éliminer  toute  dépendance  vis-à-vis  de  la valeur exacte du gain en courant. Il se trouve qu’un tel système  est très facile à concevoir et à monter.

Comment saturer un transistor ?

Dans un transistor, le gain en courant de la base au collecteur se réalise au-delà d’un certain point. Rappelons-nous que l’intérieur du transistor est constitué de semi-conducteurs dopés comportant un nombre limité d’électrons libres ou de trous susceptibles d’être déplacés. Quand on augmente l’alimentation en tension au niveau de la base, davantage d’électrons  en  sortent,  ce  qui  signifie  que  davantage  d’électrons proviennent  de  l’émetteur.  Cependant,  compte  tenu  de  la  quantité d’électrons disponibles dans l’émetteur, l’intensité est plafonnée. Quand le transistor atteint la limite, on dit qu’il est saturé.

La saturation d’un transistor peut être comparée au fait d’ouvrir une valve  jusqu’à  ce  que  le  tuyau  laisse  passer  le  débit  d’eau  maximal possible. Même si l’on continue d’ouvrir la valve, le débit n’augmentera plus. Quand un transistor est saturé, ses deux jonctions (base-émetteur et base-collecteur) sont polarisées dans le sens direct. La chute de tension aux bornes du transistor (du collecteur à l’émetteur) est pratiquement nulle.

Tout se passe comme si un fil conducteur reliait les deux bornes externes du transistor, et comme IC est très supérieure à IB , avec IE = IB+ IC , on peut admettre que IC≈ IE

Vous vous apercevrez que cette approximation est bien pratique quand on doit analyser ou concevoir des circuits comprenant des transistors.  Si  vous  utilisez  un  transistor  de  telle  sorte  que le  courant  soit  ou maximal, ou nul, alors ce transistor est assimilable à un interrupteur. C’est ce qui se produit quand le circuit est conçu de telle façon que la jonction base-émetteur soit non conductrice (tension inférieure à 0,7 V) ou totalement conductrice (tout l’un ou tout l’autre).

Comment bien choisir un interupteur de commutation ?

Vous vous demandez peut-être pourquoi vous devriez utiliser un transistor  en  guise  d’interrupteur,  alors  qu’il  existe  tant  de modèles d’interrupteurs et de relais sur le marché. En fait, le transistor présente plusieurs avantages par rapport aux  autres  types  d’interrupteurs.  Dans  certains  cas,  il  est  la meilleure  option.  Les  transistors  sont  très  peu  gourmands  en énergie, ils peuvent ouvrir et fermer le circuit plusieurs milliards de fois par seconde, et enfin, ils peuvent être miniaturisés au point de devenir microscopiques, si bien qu’un circuit intégré peut en comporter plusieurs milliers rassemblés sur une seule puce minuscule. Les interrupteurs mécaniques et les relais trouvent aussi leur utilisation, là où un transistor ne pourrait pas supporter la charge, c’est-à-dire lorsque le courant dépasse  5  A  ou  lorsque  la  tension  est  relativement  élevée (comme dans les systèmes de distribution d’énergie électrique).

Il existe trois modes de fonctionnement différents : Transistor bloqué : Si VBE < 0,7 V, la diode est bloquée, et donc IB=  0.  La  résistance  RCE est  infinie,  autrement  dit  IC =  0. 

Le transistor (collecteur à émetteur) est comme un interrupteur ouvert : aucun courant ne passe.

 Transistor partiellement passant : Si VBE  ≥ 0,7 V, la diode est passante et le courant de la base circule. Si IB est faible, la résistance RCE est réduite et un certain courant du collecteur IC circule. IC est proportionnelle à IB, avec un gain en courant hFE égal à IC /IB et le transistor fonctionne comme un amplificateur de courant, c’est-à-dire en mode actif. Transistor  passant :  Si  VBE ≥  0,7  V  et  si  IB augmente considérablement, la résistance RCE est nulle et le courant maximum possible IC circule.

La tension entre le collecteur et l’émetteur VCE est  pratiquement  nulle,  si  bien  que  le  transistor  (collecteur  à émetteur) fonctionne comme un interrupteur fermé : tout le courant possible circule, le transistor est donc saturé.

Dans  la  conception  d’un  circuit  transistorisé,  vous  devez  choisir  des composants qui permettront au transistor de fonctionner dans le mode approprié  (bloqué,  actif  ou  saturé).  Si  vous  voulez  en  faire  un amplificateur, choisissez des tensions d’alimentation et des résistances qui polariseront la jonction base-émetteur dans le sens direct et qui laisseront  passer  un  courant  suffisant,  mais  qui  ne  sature  pas  le transistor. On parle de polarisation du transistor. Si vous voulez en faire un interrupteur, choisissez des valeurs qui ne permettront que deux états : pas de courant du tout pour la base, ou un courant suffisant pour saturer le transistor. Pour contrôler cette alternance de deux états, vous utiliserez soit un interrupteur, soit la sortie d’une autre ramification de circuit placée en amont.

Un transistor pour amplifier les signaux

On utilise couramment des transistors pour amplifier des signaux faibles. Supposons qu’un de vos circuits produise un signal audio et que vous vouliez amplifier ce signal avant de l’envoyer vers une autre partie de votre système, par exemple vers des haut-parleurs. Pour cela, vous allez utiliser un transistor, comme l’indique la Figure 6-15, qui amplifiera les fluctuations de faible ampleur du signal audio (vin) entrant dans sa base.

En sortie du transistor (collecteur), vous obtiendrez des fluctuations de grande  ampleur  (V out

).  Vous  n’aurez  plus  qu’à  connecter  les  haut-parleurs à la sortie du transistor. Vous  n’aurez  plus  qu’à  connecter  les  haut-parleurs à la sortie du transistor.

Polariser le transistor pour qu’il fonctionne comme un Amplificateur.

Pour pouvoir fonctionner comme un amplificateur, un transistor doit être partiellement passant. Pour obtenir cet état, on le polarise en appliquant à sa base une faible tension. Dans l’exemple de la Figure 6-15, deux résistances R1 et R2 sont reliées à la base du transistor et configurées de façon à constituer un diviseur de tension. La sortie de ce diviseur de tension   fournit à la base une tension suffisante pour le rendre passant (partiellement), c’est-à-dire pour que le courant le traverse. Le transistor sera donc en mode actLe condensateur situé en entrée ne laisse passer dans le transistor qu’un courant alternatif et bloque toute composante continue  du  signal  d’entrée  (un  effet  appelé DC  offset  ou décalage continu). Sans ce condensateur, tout décalage  continu  dans  le  signal  d’entrée  pourrait  perturber  la polarisation du transistor, et celui-ci risquerait de se retrouver bloqué ou saturé. Il ne fonctionnerait doncplus comme un amplificateur.