Transistor bipolaire

Un transistor bipolaire est un système électronique à base de semi-conducteur de la famille des transistors. Son principe de fonctionnement est basé sur 2 jonctions PN, une en direct et une en inverse.

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Vue interne d'un transistor bipolaire de puissance 2N3055 conçu dans les années 1980

Un transistor bipolaire est un système électronique à base de semi-conducteur de la famille des transistors. Son principe de fonctionnement est basé sur 2 jonctions PN, une en direct et une en inverse. La polarisation de la jonction PN inverse par un faible courant électrique (quelquefois nommé effet transistor) va permettre de «commander» un courant bien plus important. C'est le principe de l'augmentcation de courant.

Histoire

Réplique du premier transistor bipolaire découvert par les laboratoires Bell en 1947
Différents types de transistors NPN/PNP

La découverte du transistor bipolaire a permis de remplacer efficacement les tubes électroniques dans les années 1950 et ainsi de perfectionner la miniaturisation et la fiabilisation des montages électroniques.

Transistor point-contact

Réplique du premier transistor bipolaire découvert par deux chercheurs des laboratoires Bell et testé avec succès le 16 décembre 1947. John Bardeen et Walter Brattain sous la direction de William Shockley avaient mis en place un groupe de travail sur les semi-conducteurs dès 1945. Un premier prototype développé par Shockley ne fonctionna pas correctement et c'est avec l'aide des physiciens Bardeen et Brattain qu'il réussit à détecter et corriger les divers problèmes liés aux champs électriques dans les semi-conducteurs. Le 16 décembre 1947, Bardeen et Brattain mirent en place un petit système composé de germanium et de deux contacts en or qui permettait d'augmenter le signal en entrée d'un facteur 100. Le 23 décembre, ils le présentèrent au reste du laboratoire. John Pierce, un ingénieur en électricité, donna le nom de «transistor» à ce nouveau composant qui fut officiellement présenté lors d'une conférence de presse à New York le 30 juin 1948.

Transistor avec des jonctions PN

Peu après la découverte de Bardeen et Bartain, Shockley tenta une autre approche basée sur les jonction P-N, une découverte de Russell Ohl remontant à 1940. Les travaux de Shockley ouvrirent la voie pour la réalisation des transistors bipolaires composés d'un sandwich NPN ou PNP. Cependant, leurs fabrications posaient de réels problèmes car les semi-conducteurs étaient insuffisamment homogènes. Un chimiste du laboratoire Bell, Gordon Teal, mit au point en 1950 un procédé de purification du germanium [1]. Morgan Sparks, Teal et d'autres chercheurs purent fabriquer des jonctions PN puis un sandwich NPN.

Amélioration des procédés de fabrication

Les deux années suivantes furent consacrées à la recherche de nouveaux procédés de fabrication et de traitement du germanium. Le silicium était plus complexe à travailler que le germanium à cause de son point de fusion plus élevé mais il offrait une meilleure stabilité devant les changements thermiques. Néanmoins, ce n'est pas avant 1954 que le premier transistor en silicium put être réalisé. En 1952 [2], les premiers appareils avec des transistors furent commercialisés. Les laboratoires Bell imposèrent leur savoir-faire durant toute la décennie avec surtout la mise au point du masquage par oxyde par Carl Frosch [3]. Cette technique offrait des perspectives nouvelles pour la fabrication en masse des transistors en silicium. La photolithographie sur les plaques de silicium, un procédé développé par Jules Andrus et Walter Bond en 1955, contribua fortement à l'arrivée de nouvelles techniques d'usinage plus précises et efficaces. Toujours actuellement, la photolithographie forme une étape principale dans la réalisation des transistors.

Types et Symboles

BJT PNP symbol (case).svg PNP
BJT NPN symbol (case).svg NPN
Symboles de transistors
bipolaires :

B - Base
C - Collecteur
E - Émetteur

Les catalogues de transistors comportent un nombre élevé de modèles. On peut classer les transistors bipolaires selon différents critères :

La figure ci-contre montre le symbole et indique le nom des 3 électrodes des transistors. On peut par conséquent distinguer 3 différences de potentiel intéressantes : Vbe, Vbc et Vce ; et 3 courants : courant de base Ib, d'émetteur, Ie et de collecteur, Ic. Cependant, ces 6 variables ne sont pas indépendantes. En effet, on peut écrire :

Vce = Vcb + Vbe et Ie = Ic + Ib

Certains constructeurs proposent de nombreux réseaux de caractéristiques, mais cette tendance est en voie de disparition. Qui plus est , il faut savoir que les paramètres typiques des transistors se modifient avec la température, et fluctuent fortement d'un transistor à l'autre, même pour le même modèle.

Principe de fonctionnement

Principe physique du transistor NPN

Nous prendrons le cas d'un type NPN pour lequel les tensions Vbe et Vce et le courant entrant à la base sont positifs.

Dans ce type de transistor, l'émetteur, relié à la première zone N, se trouve polarisé à une tension inférieure à celle de la base, reliée à la zone P. La diode émetteur/base se trouve par conséquent polarisée en direct, et du courant (injection d'électrons) circule entre l'émetteur et la base.

À première vue, le transistor bipolaire semble être un système symétrique par conséquent réversible, mais en pratique, pour fonctionner correctement, les dimensions et le dopage des trois parties sont particulièrement différents et ne permettent pas un fonctionnement symétrique. Le principe du transistor bipolaire repose en effet sur sa géométrie et la différence de dopage entre ses différentes régions : l'émetteur est fortement dopé et l'extension de la base, dopée P, est particulièrement faible. Ceci a deux effets :

En fonctionnement normal, la jonction base-collecteur est polarisée en inverse, ce qui veut dire que le potentiel du collecteur est bien supérieur à celui de la base. Les électrons, en trajectoire balistique, se trouvent par conséquent projetés contre une jonction polarisée en inverse. Cependant, la différence de potentiel, et par conséquent de niveaux d'énergie, induit un effet tunnel important autorise la quasi-totalité de ces électrons de franchir la zone de charge d'espace et de se retrouver «collectés» dans le collecteur (d'où le nom) …

Modèle simple

Modèle simple d'un transistor en fonctionnement linéaire

Approximativement par conséquent, tout le courant issu de l'émetteur se retrouve dans le collecteur. Ce courant est une fonction non-linéaire de la tension base-émetteur. Stricto sensu, le transistor bipolaire fait par conséquent aussi partie des systèmes à transconductance, qui produisent un courant modulé par une tension. Cependant, dans la majorité des cas, le transistor opère dans un régime de petits signaux, quasi-linéaire, où on préfère le considérer comme un amplificateur de courant car le courant collecteur est alors un simple multiple du courant de base. En résumé, un fort courant du collecteur peut être contrôlé par un petit courant de base (le rapport entre les deux courants est de l'ordre de 100-1000). Cependant, le courant collecteur ne peut pas dépasser une certaine valeur : on a un phénomène de saturation. Pour des grands signaux l'approche en transconductance est plus pertinente.

Modèle d'Ebers-Moll

Modéle d'Ebers-Moll d'un transistor en fonctionnement linéaire

Le modèle d'Ebers-Moll résulte de la superposition des modes Forward et Reverse.

Il consiste à modéliser le transistor par une source de courant positionnée entre le collecteur et l'émetteur.

Cette source de courant comporte deux composantes, commandées respectivement par la jonction BE et la jonction BC.

Le comportement des deux jonctions est simulé par des diodes.

Caractéristiques électriques

Caractéristiques parfaitisées d'un transistor bipolaire
Caractéristique Ic/Vbe d'un transistor bipolaire

La figure ci-contre montre l'allure de la caractéristique Ic / Vce. On peut distinguer deux zones principales :

Quand le transistor travaille dans la zone linéaire, il peut être reconnu comme un amplificateur de courant : le courant de sortie, Ic est proportionnel au courant d'entrée, Ib. Le rapport Ic/Ib, nommé gain en courant du transistor, est une des caractéristiques principales de ce dernier ; il est le plus souvent noté par la lettre grecque β. Le β du transistor illustré vaut 100. Il est important de tenir compte du fait que, pour un transistor donné, β augmente avec la température. D'autre part, les β de transistors de même type présentent une grande dispersion. Cela oblige les constructeurs à indiquer des classes de gain. Si on prend par exemple un transistor particulièrement répandu comme le BC107, le gain en courant fluctue de 110 à 460. Le constructeur teste alors les transistors après fabrication et ajoute une lettre après le numéro, pour indiquer la classe de gain A, B, C...

La figure Ic/Vbe montre que, pour un transistor œuvrant dans la zone de saturation, la tension Vbe fluctue fort peu. En dessous de Vbe = 0, 65V, le transistor ne conduit pas. Quand on dépasse cette valeur, nommée tension de seuil, le courant collecteur augmente exponentiellement. On démontre[4] mais aussi le courant collecteur Ic est égal à I_c=I_s.\left[1+\frac{V_{ce}}{V_{EA}}\right]àp\left(\frac{V_{be}}{V_{th}}\right), où Is correspond au courant de saturation de la jonction émetteur base et VEA la tension d'Early.

En pratique, Vbe est le plus souvent compris entre 0, 65V (pour des Ic de quelques mA) et 1V (pour les transistors de puissance parcourus par un Ic important, pe. 1A).

Outre le gain en courant, on utilise certaines autres caractéristiques électriques pour qualifier le fonctionnement d'un transistor :

Principes généraux de mise en œuvre

Comme les paramètres d'un transistor (et tout spécifiquement le β) fluctuent avec la température et d'un transistor à l'autre, il n'est pas envisageable de calculer les propriétés des circuits (gain en tension... ) avec grande précision. Les 4 principes fondamentaux donnés ci-dessous permettent de simplifier les calculs.

La loi suivante est utile pour les montages plus élaborés.

Montages amplificateurs

Articles détaillés : Base commune, Collecteur commun et Émetteur commun.

D'une façon générale, on peut distinguer deux grands types de fonctionnement des transistors :

Dans les paragraphes qui suivent, nous discuterons le fonctionnement du transistor comme amplificateur. Le fonctionnement en commutation est discuté en fin de l'article.

Polarisation

La polarisation sert à placer le point de repos du transistor (état du transistor quand on ne lui applique aucun signal) à l'endroit souhaité de sa caractéristique. La position de ce point de repos va fixer les tensions et courants de repos notés I_{b_O}, I_{c_O}, V_{ce_0} et V_{be_0} mais aussi la classe de l'amplificateur (A, B, AB ou C).

Article détaillé : Classes de fonctionnement d'un amplificateur électronique.

Du fait des capacités de liaison et de découplage, la relation courant/tension en sortie des montages à transistor est fréquemment différente entre les régimes statique et dynamique. Afin d'étudier le comportement du montage lors du régime statique et du régime dynamique, on calcule les droites de charge dans ces deux cas. Le point de polarisation du montage se situe à l'intersection de ces deux caractéristiques.

Droite de charge statique

Schéma de polarisation simple d'un transistor bipolaire

La façon la plus simple de polariser un montage de type «émetteur commun» est représentée sur le schéma ci-contre. L'emetteur est à la masse, la base est reliée a la tension d'alimentation Vcc par l'intermédiaire de R1, le collecteur est relié a Vcc par l'intermédiaire de R2. Pour des raisons de simplifications, le montage n'est pas chargé. Les relations entre les résistances R1 et R2 et les différentes tensions sont les suivantes :

R1 = \frac{V_{cc}-V_{be_0}}{I_{b_O}}

et :

R2 = \frac{V_{cc}-V_{ce_0}}{I_{c_O}}

qui peut être ré-ecrite de la façon suivante :

R2 = \frac{V_{cc}-V_{ce_0}}{\beta I_{b_O}}

Ce schéma simple souffre cependant d'un grand défaut : les résistances calculées dépendent fortement du gain en courant β du transistor. Or, ce gain en courant change d'un transistor à l'autre (et cela même si les transistors possèdent les mêmes références) et fluctue fortement selon la température. Avec un tel montage, le point de polarisation du transistor n'est pas maitrisé. On lui préfère par conséquent des montages plus complexes mais dont le point de polarisation dépend moins du gain en courant β du transistor.

Schéma pratique de polarisation.

Pour éviter ce problème, on a recours au schéma complet indiqué ci-dessous. Les résistances R1 et R2 forment un diviseur de tension qui fixe non plus le courant base mais la tension entre base et le zéro. La relation entre les courants et tension peut s'écrire ainsi :

I_{c_O}=\frac{\beta (V_{eq}-V_{be_0})}{R_{eq} + (\beta +1) R_4}

avec :

R_{eq}=\frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}

et

V_{eq}=V_{cc}\frac{R_2}{R_1 + R_2}

Si Req est petit devant (β + 1) R4, la relation courant/tension peut s'écrire :

I_{c_O}=\frac{(V_{eq}-V_{be_0})}{R_4}

Le courant de polarisation est alors indépendant du gain en courant β du transistor et est stable selon la température. Cette approximation revient aussi à choisir R1 et R2 de manière à ce que le courant qui les traverse soit grand devant Ib0. Ainsi, la tension appliquée à la base du transistor dépend peu du courant de base Ib0.

La droite de charge statique est une droite tracée dans la figure qui donne Ic selon Vce. Elle passe par le point Vcc sur l'axe des x, et le point Vcc/ (R3+R4) sur l'axe des y. Pour une tension d'alimentation, une charge R3 et une résistance d'émetteur R4 données, cette droite de charge indique le point de fonctionnement.

Caractéristiques dynamiques

schéma d'un montage émetteur commun.

Le schéma complet d'un amplificateur à émetteur commun est représenté sur la figure ci-contre. Comparé au schéma utilisé lors du calcul du point de polarisation, le schéma utilisé comporte en plus les condensateurs de liaison C1 et C2, la capacité de découplage C3 ainsi qu'une charge Rl.

Les condensateurs de liaison «empêchent» les tension et courant continu de se propager dans tout le montage et de se retrouver en entrée et en sortie ou de modifier la polarisation des autres montages présents dans le circuit final. Les capacités de découplage permettent «d'enlever» certains composants (ici R4) du montage dans une certaine gamme de fréquence.

La valeur des condensateurs de couplage C1 et C2 est choisie de manière à ce que ceux-ci aient une impédance suffisamment faible dans toute la gamme des fréquences des signaux à augmenter :

La valeur de C3 choisie de manière à ce que son impédance soit faible comparé à celle de R4 dans la gamme de fréquence désirée.

Les condensateurs C1, C2 et C3 n'avaient pas été représentés jusqu'désormais, car ils possèdent une impédance illimitée au continu. La charge Rl n'était, elle aussi, pas présente car le condensateur C2 empêchait le courant continu dû à la polarisation de la traverser et par conséquent d'influencer les caractéristiques statiques du montage.

Schéma équivalent petits signaux d'un montage émetteur commun en basses fréquences

Pour calculer les caractéristiques du montage en régime dynamique, on a recours à un modèle petits signaux du transistor. Ce modèle sert à décrire le comportement du transistor autour de son point de polarisation. Le modèle utilisé ici est le plus simple envisageable. Il modélise le transistor grâce a une résistance Rbe et une source de courant dont l'intensité est proportionnelle au courant de base. Si on désire une modélisation plus fine du transistor, il faut utiliser un modèle plus complexe (Ebers-Moll par exemple). La résistance Rbe modélise la pente de la droite Vbe (Ib) au point de polarisation et se calcule comme suit :

R_{be}=\frac{V_t}{I_{be_0}}=\frac{k T}{q I_{be_0}}

avec : Vt la tension thermique, k la constante de Boltzmann, q la charge élémentaire, et T la température du transistor en kelvins. A température ambiante Vt vaut 25 mV.

Avec ce modèle, on obtient facilement :

V_s=\frac{R_3 R_l}{R_3+R_l} I_C
I_b=\frac{V_{e}}{R_{be}}
Ic = βIb

Si on note G le gain en tension de l'étage et S, sa transconductance. on obtient :

G=\frac{V_s}{V_e} = \frac{\beta R_3 R_l}{R_{be} (R_3+R_l)}
S=\frac{I_c}{V_e} = \frac{\beta}{R_{be}}

La transconductance peut être définie comme suit : c'est la variation du courant collecteur due à une variation de la tension base-émetteur ; elle s'exprime en A/V. Elle est principalement déterminée par le courant continu d'émetteur Ie (fixé par le circuit de polarisation).

Puissance dissipée dans le transistor

Pour un montage amplificateur en classe A, la puissance dissipée dans le transistor vaut :

P = Vce. Ic + Vbe. Ib

où Vce et Vbe sont les différences de potentiels continues entre le collecteur et l'émetteur, la base et l'émetteur, et Ic, Ib sont respectivement les courants de collecteur et de base. Cette puissance ne fluctue pas quand un signal est appliqué à l'entrée de l'amplificateur. Comme le gain en courant (béta) du transistor est le plus souvent particulièrement élevé (quelques dizaines à quelques centaines), le second terme est le plus souvent négligeable.

Pourquoi calculer la puissance dissipée dans le transistor ? Pour évaluer la température de la jonction ce du transistor, qui ne peut dépasser à peu près 150 °C pour un fonctionnement normal de l'amplificateur.

La température de jonction sera calculée avec la Loi d'Ohm thermique.

Dans notre exemple, la puissance dissipée dans le transistor vaut 4.2.10-3 + 0, 65.20.10-6 = 4.2mW. La température de la jonction, si la température ambiante est de 25 °C et la résistance thermique jonction-ambiance de 500 °C/W, vaut 25 + 500.4, 2.10-3 soit 27, 11 °C.

Le transistor en commutation

Montage d'un transistor pour fonctionnement en commutation

On nomme fonctionnement en tout-ou-rien un mode de fonctionnement du transistor où le transistor est soit bloqué soit parcouru par un courant suffisamment important pour qu'il soit saturé (càd. Vce réduite à moins d'1V). Dans la figure ci-contre, quand l'interrupteur Int est ouvert, Ib est nul, par conséquent Ic est nul et Vc = Ucc (point B sur les caractéristiques du transistor). Par contre, quand on ferme Int, un courant (Ucc - Vbe) / RB circule dans la base. Le transistor va par conséquent essayer d'absorber un courant collecteur Ic égal à β. Ib. Cependant, le plus souvent, la charge RL est choisie pour que Ic soit limité à une valeur inférieure à β. Ib, typiquement 10. Ib. Le transistor est alors saturé (point A sur les caractéristiques).

Puissance dissipée dans le transistor

La puissance dissipée dans le transistor peut être calculée par la formule :

P = (Vce. Ic + Vbe. Ib). RC

Vce, Vbe, Ic, Ib ont été définis ci-dessus, RC est le rapport cyclique, c'est-à-dire la fraction du temps pendant laquelle le transistor est conducteur. Dans un fonctionnement en commutation, la puissance dissipée dans le transistor est bien plus faible que celle dissipée dans la charge. En effet, quand le transistor est bloqué, Ic et Ib sont nuls et par conséquent P vaut 0 ; et lorsque le transistor conduit, Ic peut être élevé (jusqu'à plusieurs ampères pour les transistors de puissance) mais Vce est faible, c'est la tension de saturation (0, 2 à 1V). La puissance dissipée dans la charge vaut, elle

P = ( (Ucc − Vce). Ic). RC

où Ucc est la tension d'alimentation.

Applications

Le fonctionnement en tout-ou-rien est souvent utilisé pour piloter des charges telles que :

Exemple

Soit à piloter une ampoule de 12W. Nous choisirons une alimentation Ucc de 12V, et un transistor capable de supporter le courant de l'ampoule, soit 1A.

La résistance de base sera calculée pour apporter à la base un courant I/10, soit 100mA. Rb vaudra par conséquent 12/100.10-3 = 120Ω. La puissance dissipée dans le transistor, lorsqu'il conduit, vaut 0, 2.1 + 0, 75.100.10-3 soit 265mW. Nous avons reconnu que Vce en saturation valait 0, 2V et Vbe en saturation 0, 75V, ce sont des valeurs typiques.

Nous constatons qu'ici, au contraire de la situation où le transistor n'est pas saturé, la puissance liée au courant de base n'est plus négligeable comparé à la puissance liée au courant collecteur. Ceci est dû au fait que la tension collecteur-émetteur est particulièrement faible lors de la saturation.

Références

  1. ↑ http ://www. computerhistory. org/semiconductor/timeline/1951-First. html
  2. ↑ http ://www. computerhistory. org/semiconductor/timeline/1952-Consumer. html
  3. ↑ http ://www. computerhistory. org/semiconductor/timeline/1955-Oxide. html
  4. ↑ Analyse et calcul de circuits électroniques - Augmentcation à composants discrets. Editions Eyrolles, 1995, (ISBN 2-212-09572-4)

Voir aussi

  • Pour transistor à effet de champ :

    • Liens externes

    Recherche sur Amazone (livres) :

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