chap3-transistors bipolaires

Chapitre 3: Les Transistors bipolaires
I. Présentation:
Le transistor bipolaire (BJT) est la mise en contact de trois régions
semiconductrices dopées, séparées par deux jonctions PN de manière à
former un transistor de type NPN ou de type PNP. Les trois régions sont
appelées respectivement émetteur, base et collecteur.
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Un transistor NPN est constitué de :
- Un émetteur : couche fortement dopée (type N), d’épaisseur moyenne.
Son rôle est d’émettre les électrons libres vers le collecteur.
- Une base : couche faiblement dopée (type P), très mince. Son rôle est
d’émettre la plus part des électrons venant de l’émetteur vers le
collecteur.
- Un collecteur : couche moyennement dopée (type N) et de forte
épaisseur. Son rôle est de collecter les électrons provenant de
l’émetteur et transitant par la base.
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II. Polarisation d’un transistor : l’effet transistor:
Pour polariser correctement un transistor, il faut que la jonction base
émetteur soit polarisée en directe et que la jonction base collecteur soit
polarisée en inverse.
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L’effet transistor peut se résumer en trois points :
• Lorsque le potentiel VBE dépasse le seuil de conduction de la jonction
BE (0.7V pour le Si) le champ résultant accélère les e- vers la base ; d’où
IE.
• La région de la base, faiblement dopée et très mince, possède un
nombre très limité de trous. Ainsi, seul un faible pourcentage des
électrons peut se recombiner avec les trous disponibles donnant
naissance à un courant de base IB.
• La majorité des é libres venant de l’émetteur et rentrant dans la zone
de déplétion base collecteur vont être évacués vers le collecteur sous
l’action du champ externe ; d’où IC.
Eext
Eint
Eext
Eint
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Soit α (0 < α < 1) le pourcentage d’électrons venant de l’émetteur et qui
ont atteint le collecteur. Le pourcentage des électrons venant de
l’émetteur et qui se sont recombinés avec les trous dans la base est alors
(1-α). On peut alors facilement exprimer la relation entre les différents
courants du transistor : iE, iB et iC : iC   i E

i B  1    i E
On montre alors que le courant de l’émetteur est la somme du courant
de la base et du courant du collecteur : i
 i i
E
On en déduit:
En posant

iC 

1

1
B
C
iB
On peut écrire :
iC   i B
β est appelé : Gain statique en courant du transistor.
Comme   99%   100
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III. Caractéristiques d’un transistor :
Le transistor fonctionne avec un circuit d'attaque et un circuit de charge.
Le transistor bipolaire NPN est en montage émetteur commun. Il peut
alors être assimilé à un quadripôle avec comme grandeurs d'entrée (iB,
VBE) et comme grandeurs de sortie (iC, VCE).
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le réseau de caractéristiques d’un transistor bipolaire est composé de
quatre courbes qui sont :
• Caractéristique d’entrée : C’est la courbe VBE = f(iB) lorsque VCE est
maintenu constante. Cette caractéristique est pratiquement celle d’une
diode polarisée en direct, la tension VBE est de l’ordre de 0,7V.
• Caractéristique de sortie : C’est la courbe iC = f(VCE) lorsque iB est
constant. Dans un transistor idéal, ces caractéristiques sont des droites
horizontales puisque iC ne dépend que de iB : iC = β.iB .
• Caractéristique de transfert en courant : C’est la courbe iC = f(iB)
lorsque VCE est constant. Cette courbe est une droite passant par
l’origine qui traduit la proportionnalité entre iC et iB.
• Caractéristique de transfert en tension : C’est la courbe VBE = f (VCE )
lorsque iB est constant. Les caractéristiques tracées pour différentes
valeurs de iB sont des droites horizontales, ce qui signifie que la tension
d’entrée ne dépend pas de la tension de sortie.
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IV. Polarisation d’un transistor :
La polarisation a pour rôle de placer le point de fonctionnement du
transistor dans la zone linéaire de ces caractéristiques.
1) Polarisation par deux sources de tension:
Côté base:
VBB  VBE  RB I B
Donc:
VBB  VBE
IB 
RB
IC   I B
Côté collecteur:
VCC  VCE  RC I C
Donc:
VCE  VCC  RC I C
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2) Polarisation par une source de tension:
a) Polarisation par résistance de base:
On a:
VCC  VBE  RB I B
IB
VCC  VBE

RB
IC   I B
Côté collecteur:
VCC  VCE  RC I C
Donc: V
CE  VCC  RC I C
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b) Polarisation par pont de résistances de base:
Coté base, on applique Thevenin :
R2
R1 R2
Eeq 
Vcc
Req 
R1  R2
R1  R2
On a:
E eq  Req I B  VBE  RE   1I B
E eq  VBE
IC   I B
IB 
Donc:
Req    1RE
Côté collecteur:
VCE  VCC  RC I C  RE I E
VCC  VCE  RC I C  RE I E
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V. Transistor bipolaire en régime dynamique :
Nous avons étudié le transistor bipolaire en régime statique. On va
s’intéresser maintenant à l’étude du transistor bipolaire en régime
dynamique, c'est-à-dire, on va voir comment se comporte le transistor
vis-à-vis des variations de tension et de courant qui viennent se
superposer aux grandeurs de polarisation. Pour donner une idée sur le
fonctionnement d’un transistor en régime dynamique, nous allons
étudier à titre d’exemple un amplificateur de tension à base de
transistor. Le schéma est donné par la figure suivante :
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Le montage comporte :
* Un générateur sinusoïdal qui fournit à l’entrée de l’amplificateur le
signal à amplifier.
* L’étage amplificateur représenté par le transistor NPN avec son circuit
de polarisation.
* La charge RL qui va recueillir le signal à la sortie de l’amplificateur.
* Les capacités C1 et C2 sont des capacités de liaison entre
l’amplificateur et les circuits d’entrée et de sortie. Elles servent à séparer
les composantes alternatives des composantes continues.
Grace au principe de superposition, toutes les grandeurs (ib, ic, vbe, vce)
s’expriment comme la somme d’une grandeur continue (régime
statique) et d’une grandeur alternative (régime dynamique)
v BE ( t )  VBE  vbe ( t )
iC ( t )  I C  i c ( t )
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Schéma équivalent du transistor bipolaire en régime dynamique petits
signaux:
Notre étude se limite aux petits signaux, c'est-à-dire qu’on suppose que
le point de fonctionnement du transistor est bien déterminé à l’aide
d’un circuit de polarisation et que l’on injecte à l’entrée du transistor un
signal sinusoïdal de faible amplitude qui vient se superposer au signal
continu dû à la polarisation.
Le transistor peut être représenté sous forme d’un quadripôle comme le
montre la figure suivante:
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Les quatre variables Vbe, ib, ic et Vce sont liées entre elles par deux
relations :
Les paramètres h11, h12, h21 et h22 sont appelés des paramètres
hybrides. Leurs valeurs sont indiquées par le constructeur. Chaque
paramètre hybride correspond à une mesure prise des courbes
caractéristiques du transistor.
c’est l’impédance d’entrée lorsque la sortie est en
court-circuit.
c’est le coefficient de réaction interne de la sortie sur
l’entrée lorsque cette dernière est en circuit ouvert
c’est le coefficient d’amplification en courant lorsque
la sortie est en court-circuit
c’est la conductance vue de la sortie lorsque l’entrée
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est en circuit ouvert
D’après le système d’équations précédents, le schéma équivalent petits
signaux du transistor bipolaire peut être représenté comme suit:
Comme h12 et h22 sont généralement négligeables, on utilisera le
schéma équivalent simplifié suivant:
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Exemple de montage amplificateur à transistor bipolaire: Montage
Emetteur commun:
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Un montage amplificateur à transistor est généralement définie par :
son gain en tension, son gain en courant, son impédance d’entrée et son
impédance de sortie. Pour déterminer ces paramètres, on passe par le
circuit équivalent du montage en régime dynamique. Pour cela, il faut:
•Eteindre toutes les sources de tension et de courant continu. Pour cela,
il faut court-circuiter les sources de tension continue et ouvrir les
sources de courant continu.
• Court-circuiter les capacités de liaison
• Remplacer le transistor par son modèle équivalent en régime
dynamique
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On obtient le schéma équivalent en régime dynamique suivant:
is
ie
Gain en tension à vide: (sans charge RL)
ve  h11 ib
On a : v s   Rc  ib
et
  RC
Donc:
Av 0 
h11
Gain en tension en charge: (avec RL)
   RC // RL 
Av 
h11
Av 0 
vs
ve
vs
Av 
ve
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Gain en courant:
Ai 
is
ie
Grâce à la règle du diviseur de courant, on écrit :
RB
Rc
et
i 
i 
i
s
Donc:
Rc  RL
Ai  
b
 Rc
Rc  RL
b
RB  h11
ie
RB
RB  h11
ve
ie
On a: Z e  h11 // RB
v sco
Impédance de sortie: Elle est définie par: Z s  i
scc
Impédance d’entrée: Elle est définie par: Z e 
vsco est la tension de sortie en remplaçant la charge par un circuit ouvert
iscc est le courant de sortie en remplaçant la charge par un court circuit
On a: v sco   RC  ib
et
i scc    ib
Donc:
Z s  RC
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