SOMMAIRE Chapitre 1 : Le transistor bipolaire en régime statique 1- Présentation du transistor 2- Effet transistor 3- Réseaux des caractéristiques d’un transistor monté en Emetteur commun 4- Polarisation du transistor Le transistor bipolaire en régime statique Chapitre 1 : I- PRESENTATION 1- Structure : : Un transistor bipolaire est un composant à semi-conducteur formé par la juxtaposition de deux jonctions PN disposées en séries mais dans des sens opposés. Il existe donc deux types de transistors bipolaires (figure 1). Les transistors NPN dans lesquels une zone de type P est comprise entre deux zones de type N dans un monocristal de semi-conducteur. Les transistors PNP dans lesquels la zone du milieu est de N. Les trois électrodes d’un transistor bipolaire sont appelées, Emetteur, Base et Collecteur. Pour un transistor NPN on a : - Emetteur : zone N fortement dopée, - Collecteur : l’autre zone N faiblement dopée, - Base : zone P mince et peu dopée. Collecteur P N P Emetteur Collecteur N Emetteur N Base Base C P E C E B B C E C E B B Transistor PNP Transistor NPN Fig. 1- Symboles des deux types de transistors bipolaires. Du fait que les deux zones N ont des taux de dopage très différents l’une de l’autre, le transistor ne peut pas fonctionner d’une façon symétrique. On ne peut donc permuter l’Emetteur et le Collecteur d’un transistor bipolaire à jonction. Sur le schéma électrique du transistor une flèche marque la jonction base-émetteur. Cette flèche est orientée dans le sens où la jonction base-émetteur est passante; ainsi elle permet de distinguer les deux types de transistor. ISSAT-Mateur 2- Fonctionnement de base : Un transistor de type NPN est constitué de deux jonctions PN (Base-Collecteur) et (Base-Emetteur). Suivant le mode de polarisation de ces deux jonctions (bloquée = inverse ou passante = directe), quatre modes de fonctionnement du transistor peuvent apparaître comme c’est illustré par le tableau 1: Tableau 1 : Modes de fonctionnement d’un transistor NPN Jonction base-collecteur Inverse Bloquée Directe Directe Jonction base-émetteur Directe Bloquée Directe Inverse Mode de fonctionnement Normal Bloqué Saturé Inverse Ainsi, en fonctionnement normal, un transistor bipolaire doit avoir la jonction (Base-Emetteur) polarisée en direct et la jonction (Base-Collecteur) polarisée en inverse, donc on polarise les électrodes pour faire en sorte que VE < VB< VC comme c’est illustré par la figure 2. La polarisation du transistor PNP est identique au NPN, sauf que les polarités des tensions et les directions des courants sont inversées. VCE RE (a) IE IC VBE EB RC VCB EC IB VCE RE (b) IE IC VBE EB RC VCB IB EC Figure 2 : Polarités des tensions et sens des courants de polarisation des transistors NPN (a) et PNP (b). Avec les conventions de la figure 2 : Pour un transistor NPN : IC, IE, IB sont positifs, VCE, VBE sont positifs. Pour un transistor PNP : IC, IE, IB sont positifs, VCE, VBE sont négatifs. ISSAT-Mateur 3- Réseaux des caractéristiques statiques : L’état de fonctionnement d’un transistor bipolaire est déterminé par la connaissance des courants continus (IC, IB, IE) et tensions continues (VBE, VCE, VBC). Les représentations graphiques des relations entre ces grandeurs peuvent être groupées en unréseau de courbes qui caractérisent chaque transistor et forme ce que l’on appelle son réseau de caractéristiques statiques comme s’est illustré par la figure 4. Pour un transistor NPN, ces courbes peuvent être tracées point par point en réalisant lemontage de la figure 3. RC A IC RB EB A VBM VCE IB V EC VBE V IE M Figure 3 : Montage permettant de tracer les caractéristiques d’un transistor. ISSAT-Mateur Caractéristiques statiques de sortie IC (mA) Hyperbole de puissance maximale Zone de saturation IB5 IB4 IB3 Zone de claquage IB2 Caractéristique de transfert en courant IB1 IB0 IB (µA) V CE (V) Zone de blocage Caractéristique statique d’entrée VBE (V) Figure 4 : Réseaux de caractéristiques d’un transistor bipolaire à jonction. Réseau d’entrée C’est le réseau IB = f(VBE) à VCE constante. Dès que VCE est supérieur à 0,7 V, toutes les courbes sont pratiquement confondues car l’influence de la tension de sortie sur le courant d’entrée est négligeable. La courbe est identique à la caractéristique d’une diode qui est constituée par la jonction base émetteur. Pour un transistor au silicium, VBE varie très peu et reste voisin de la tension de seuil de la jonction base-émetteur soit 0,7 V. ISSAT-Mateur Réseau de transfert en courant Réseau de transfert en tension C’est le réseau IC = f(IB) avec VCE constante. Ce réseau est constitué par un éventail de courbes presque linéaires passant par le pointIB = 0 et IC = ICE0 ; (IC = β.IB + ICE0). C’est le réseau VBE = f(VCE) avec IB constante. On constate que les variations de la tension de sortie sont sans effet sur la tension d’entrée. Réseau de sortie C’est le réseau IC = f(VCE) à IB constante. Dans ce réseau nous distinguons quatre zones : Zone de blocage : (IB ≈ 0 donc IC= β. IB=0). Zone saturation : VCE < 0,25 V, VCB = VCE – VBE = 0,25 V – 0,7 V = – 0,45 V La jonction (B-C) est polarisée en direct : IC varie linéairement avec VCE. Zone de claquage : VCE très grande : il y a claquage inverse de la jonction et croissance du courant par avalanche. Il est souvent destructif ! La tension de claquage varie de 30V à 250 V selon les transistors employés. Zone de fonctionnement normal : VCE intermédiaires, le courant collecteur est donné par la relation : IC = β. IB + ICE0 + k VCE Il y a une légère croissance du courant avec V CE. Plus cette tension croît, plus la zone où les recombinaisons électrons-trous se produisent est étroite. Cette dépendance du courant collecteur avec la tension de sortie se nomme l’effet Early. En pratique, on utilisera la relation simplifiée : IC = β. IB, Suivant le type des transistors et les conditions de fabrication, β varie entre 20 et 500. Le gain des transistors de puissance est faible. Des transistors de même référence peuvent avoir des gains très différents. Le gain varie avec le courant collecteur, la tension VCE et la température (terme ICE0). Effet transistor C’est le fait de véhiculer un fort courant collecteur à partir d’un faible courant de base ( I C >> IB ). IC On définit l’amplification statique en courant : β = IB 1Equations VCB B C IC VCE IB VBE IC : courant Collecteur, IB : courant de Base, IE : courant Emetteur. IE = IC + IB VCE = VCB + VBE IE E ISSAT-Mateur 5-Polarisation du transistor 5-1- Définition La polarisation consiste à définir le point de fonctionnement statique (point de repos) du transistor caractérisé par les valeurs VBEo, IBo, ICo et VCEo. Il existe différents procédés de polarisation 5-2- Polarisation par deux sources de tension 5-2-1 Schéma de montage C RC IC RB B IB VCE VBB VCC VBE E E Figure 6: Polarisation du transistor par deux sources de tension Droite d’attaque statique C’est l’équation définie par: VBE = VBB - RBIB L’intersection de cette droite avec la caractéristique d’entrée du transistor donne le point (IBo , VBEo ). Droite de charge statique C’est l’équation définie par: IC = VCC VCE RC ISSAT-Mateur L’intersection de cette droite avec la caractéristique de sortie du transistor donne le point (VCEo , ICo ). L’ensemble des valeurs IC0, IB0, VCE0, VBE0 définissent le point de repos (ou l’état) dutransistor comme s’est illustré par la figure 5. Droite de charge statique IC (mA) Point de fonctionnement VCC / RC M3 Q2 IB0 IC0 VBB / RB IB (A) M1 M4 VCE (V) IB0 0 VCE.0 VCC VBE.0 Q1 Droite d’attaque statique M2 V BB VBE (V) Figure 7: Détermination du point de fonctionnement statique ISSAT-Mateur 5-3- Polarisation directe par résistance de base Schéma de montage RC RB C IC B IB VCC VCE VBE E Figure 8: Polarisation directe par résistance de base Droite d’attaque statique C’est l’équation définie par: VBE = VCC - RBIB 5-3-3 Droite de charge statique VCC VCE C’est l’équation définie par: IC = RC 5-4- Polarisation par résistance entre base et collecteur Schéma de montage RC RB C IC IB VCC VCE B VBE E Figure 9: Polarisation par résistance entre base et collecteur ISSAT-Mateur Droite d’attaque statique Dans ce cas de polarisation, VBE = VCE - RBIB et VCE = VCC – RCIC avec IC = IB, il vient : VBE = VCC – (RB + RC ) IB : c’est l’équation de la droite d’attaque statique. Droite de charge statique VCC VCE si on néglige IB devant IC. RC Polarisation par pont de résistances de base Schéma de montage C’est l’équation définie par: IC = R1 RC IC C IB B IP VCC VCE R2 VBE E Figure 10: Polarisation par pont de résistances de base Droite d’attaque statique Dans ce cas de polarisation, on peut écrire: V VBE V IP + IB = CC avec IP = BE R1 R2 D’où l’équation de la droite d’attaque statique : VBE = R2 R1 R 2 .V CC Droite de charge statique C’est l’équation définie par: IC = VCC VCE . RC ISSAT-Mateur R1 . R 2 R1 R 2 .I B
