Chapitre II : Le transistor bipolaire

Chapitre II : Le transistor bipolaire
Chapitre II : Le transistor bipolaire
II.1. Introduction :
Le transistor fait partie des composants que l'on retrouve sans exception dans toutes les applications
de l'électronique.
– Amplification de tension,
– amplification de courant,
– amplification de puissance,
– interrupteur,
– oscillateurs,
– convertisseurs AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC,
– micro-contrôleurs,
– micro-processeurs, etc...
Il existe plusieurs types de transistor :
Composant
commande
Application type
A max
Bande passante
Bipolaire
courant
Amplification,
commutation
10A
0 → GHz
MOS, FET, JFET,
MOSFET
tension
Commutation
5A
0 → 10MHz
200A
0 → MHz
Commutation en
électronique de
puissance
Nous nous intéresserons ici simplement au transistor bipolaire.
IGBT
courant
II.2. Fonctionnement physique :
Le transistor bipolaire est constitué par 2 jonctions PN mises bout à bout. Il est possible d'associer
ces 2 jonctions de manière à constituer 2 composants :
– le transistor NPN,
– le transistor PNP.
Le transistor est un composant composé de 3 connexions :
– base, zone faiblement dopée et de taille très faible (par rapport aux 2 autres),
– émetteur, zone très dopée -ie zone extrinsèque– collecteur, zone très dopée, et d'une taille presque 1,5 fois plus grande que l'émetteur.
Description du fonctionnement d'un transistor NPN/PNP :
En fonctionnement normal, la jonction base-émetteur est polarisée dans le sens direct, et la jonction
base-collecteur en inverse.
Cela signifie que la polarisation directe de la base permet aux électrons/trous de passer dans
l'émetteur sous la forme d'un courant de diffusion -Idn/Idp- puisque la barrière de potentiel a été
annulée. De la même manière les trous/électrons de la base diffusent vers l'émetteur -Idp/Idn-.
L'accumulation d'électrons/trous dans la base fait qu'ils sont attirés dans le collecteur car la
polarisation entre la base et le collecteur est inverse. Ceci est possible car au niveau de la base il
existe une inversion localisée de la population puisque celle-ci possède une taille très faible. Les
électrons ainsi stockés, on suffisamment d'énergie pour transiter « naturellement » dans la zone
collecteur aidés par la polarisation inverse de la zone B-C.
Dans les 2 jonctions il existe des courants inverses. L'agitation thermique est la source de la création
de ces courants. Cependant ce courant est négligeable devant le courant de diffusion et ne contribue
pas à l'effet transistor.
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ATTENTION : Le fonctionnement décrit précédemment est un comportement simplifié à
l'extrême. De prime abord il est parfaitement possible de considérer le fonctionnement d'un
transistor bipolaire comme celui de 2 diodes indépendantes, mais c'est faux car dans la
réalité il existe un fort couplage entre les 2 jonctions PN de manière à réaliser l'effet transistor.
Polarisation
directe
E
Polarisation
inverse
P
N
P
Polarisation
inverse
C
E
N
P
B
C
E
C
VBE>0
B
Polarisation
directe
C
N
B
E
VBE<0
Polarisation
directe
Polarisation
inverse
Polarisation
inverse
E
B
Polarisation
directe
E
C
C
B
B
Figure 1 : Polarisation des jonctions PN pour avoir l'effet transistor.
Le comportement décrit précédemment nous amène aux déplacements de courant représentés sur la
Figure 2 pour un transistor PNP. A partir de ces informations nous allons mettre en équation ce
comportement et tenter d'avoir une relation liant les courants IE, IC et IB.
Porteurs majoritaires
Porteurs majoritaires
E
IE
Idp
IdnPorteurs minoritaires
IS
I'i
N
P
Idp1
IC
C
IC
C
P
IB= Idp-Idp1+Idn-I'i-IS
B
Porteurs majoritaires
Porteurs majoritaires
E
IE
Idn
N
IdpPorteurs minoritaires
IS
I'i
P
Idn1
N
IB= -(Idn-Idn1+Idn-I'i-IS)
B
Figure 2 : Déplacement des porteurs dans les transistors PNP/NPN en
mode direct.
ATTENTION : Les orientations des courants IE, IC, IB et des courants internes sont les
orientations réelles pour le transistor PNP de la Figure 2. Concernant le NPN, les courants
internes sont orientés suivant les sens réel, pour les courants IE, IC, IB c'est l'orientation
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normalisée qui est donnée (convention de signe).
I E =I dp I dn −I ' i
loi des noeuds au point B , I B I C =I E
I C =I dp1I S
I B =I dp I dn −I ' i −I dp1−I S
I
posons = dp1 ⇔ I E =I dp1 , avec ∈[0,95 ; 0,999]
IE
I C = . I E I S = . I B  . I C I S ⇔ I C .  1− = . I B I S


1
I C=
. I B
. I S , posons =
, avec ∈[20 ; 500]
1−
1−
1−
1
1
I C =. I B 
. I S , . I B ≫
. I S puisque I S est de l ' ordre du nA.
1−
1−
I C =. I B
{
}
II.3. Équations à forts signaux :
Dans le semi-conducteur il existe 2 types d'équations de conduction :
dn
– une pour les électrons e-, J n n =q. µ n . n  x. q.  n.
dx
dp
– l'autre pour les trous p+, J p n =q. µ p . p  x. q.  p.
dx
D
k.T
=
Auquel on peut ajouter la relation d'Einstein :
µ
q
– q : charge de l'électron = 1,6.10-19C
–
k : constante de Boltzman = 1,381.10-23J.K-1
–
T : température exprimée en °K
–
V T=
k.T
≃25 mV à 300°K
q
A- Modèle d'Ebers-Moll :
Nous allons regarder ici un modèle valable uniquement en forts signaux et en mode statique,
c'est le modèle d'Ebers-Moll.
E
αI.I2
IE
αD.I1
IC
C
IB
I1
I2
B
Figure 3 : Modèle d'Ebers-Moll du transistor.
–
–
–
αD, gain en courant du montage en base commune en mode direct (mode normal), αD≃1, β grand,
αI, gain en courant du montage en base commune en mode inverse, αI⇢ 0.
I 1=I
S1.
e
q.V BE
. k.T
−1

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e
q.V BC

I 2=I S2.
−1 .
Compte tenu des conventions de signes (les courants ont été pris rentrant dans le transistor), αD, αI,
IS1, IS2, sont négatifs avec  D .I S1 = I .I S2 .
–
 . k.T
ATTENTION : Ce modèle ne tient pas compte des phénomènes de contre-réaction qui sont
les phénomènes permettant d'obtenir pour l'effet transistor.
I
E
=I 1  I .I
2
=I
e
e
q.V BE
 . k.T
S1.
−1  .I  e
−1  .I  e
q.V BC
. k.T
I
q.V BC
. k.T
I C =I 2  D .I 1 =I S2.
I B =−I E −I C =−I 1− I . I
S2.
−1

q.V BE
 . k.T

−1
2 −I 2 − D .I 1 =−I 1.  1 D  −I
D
S1.
2.
 1 I 
B- Mode direct :
Dans le mode direct la jonction BE est polarisée en direct et la jonction BC est polarisée en
inverse. Ce qui donne au niveau des courants :

e
I E =I S1. e
{
q.V BE
k.T
I 1 ≈ I S1.
I 2 ≈−I S2
q.V BE
k.T
− I . I S2 , hors  I . I S2 ≈0 ⇒ I E ≈ I S1. e

q.V BE
k.T
}
I C = D . I 1 I 2
⇔ I C = D .  I E − I . I 2  I 2 = D . I E 
 1 − D .  I  . I 2
I E =I 1  I . I 2 ⇔ I 1=I E − I . I 2
I
C0
I C ≈ D . I E I 2 ≈ D . I E
C- Mode inverse :
Dans le mode inverse la jonction BE est polarisée en inverse et la jonction BC est polarisée
en direct. Ce qui se traduit au niveau des courants :
I 1 ≈−I S1
I 2 ≈ I S2.

e
q.V BC
k.T

I C ≈− D . I S1 I S2 . e
I C ≈ I S2 . e
q.V BC
k.T
q.V BC
k.T
D- Montage émetteur commun :
IB
VBE
IC
IE
VCE
Figure 4 : Montage émetteur
commun en mode direct.
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I 1 =I S1 . e
q.V BE
k.T
0
I C = D . I E I C0 ⇔ I E =

I B =− I E I C  =−
⇔ I B−
I C0
D
I C −I C0
D
I C −I C0
D
 
=−I C . 1
 
I C =−
IC
D
−
I C0
D
    
I C =− I C . 1
I
1
− C0
D D
−
1
1
⇔ I C = D . I B
. I C0
D
1 D
1 D
D
1
, gain en courant du montage EC en mode direct , 1 D =−
1 D
1 D
I C = D . I B 
 1 D  . I C0 , I CE0 peut ne pas être négligeable
 D =−
I CE0
E- Effet Early :
Si on trace le réseau de courbes IC=f(VCB) à IE constant et le réseau IC=f(VBE) à IB constant on
observe que ces réseaux sont convergent vers un point que l'on nomme la tension d'Early VA. Cette
tension est très grande elle vaut dans les 130V pour les transistors NPN et 60V pour les PNP.
IC
IE=constant
VCB
VA(β+1) tension d'Early
IC
IB=constant
VCE
VA tension d'Early
Figure 5 : Représentation graphique de la tension d'Early.

I C −I CE0 = D . I B . 1


V CE
V
⇔ I C = D . I B 1  CE I CE0
VA
VA
effet Early
–
–
F- Limite de saturation :
Pour rappel :
la jonction BE est polarisée en direct VBE≃0,7 à 0,8V
la jonction BC est polarisée en direct VBE≃0,7 à 0,8V
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IC
V CC
RC
VCC
RC
IB
VBE
VCE
IE
VCEsat
Figure 6 : Tension de saturation.
VCE
VCC
G- Tension de claquage :
1- Montage base commune :
IC
E
C
B
VCB
IC0
VCBmax
VCB
Figure 7 : Courbe IC0=f(VCB) dans le montage base commune.
I C = D . I E =M.  D . I E , M : facteur de multiplication
1
M=
, 3n6
n
V CB
1−
V CBmax
VCBmax : tension de claquage qu'engendre l'effet d'avalanche.


2- Montage émetteur commun :
M.  D
I B =− I E I C  =−I E.  1M.  D  ⇔ I C =−
.IB
1M.  D
I
si M.  D −1 ⇒ C ∞
IB
1
D
D
V CEmax
1
=−1 ≈
⇔
=  1 D  n =
1
n
n
1
V CBmax
V CB
V CEmax
n
 1D 
1−
1−
V CBmax
V CBmax
1
V CEmax V CBmax , avec V CEmax≈ V CBmax
2




II.4. Équations petits signaux :
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II.5. Limitation HF du fonctionnement du transistor :
II.6. Caractéristiques des transistors :
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