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. 1 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. 2 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. 3 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 4 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 5 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). 6 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. 7 8 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 9 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 10 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 1I B E eq VBE IC I B IB Donc: Req 1RE Côté collecteur: VCE VCC RC I C RE I E VCC VCE RC I C RE I E 11 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 : 12 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 ) 13 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: 14 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 15 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: 16 Exemple de montage amplificateur à transistor bipolaire: Montage Emetteur commun: 17 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 18 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 19 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 20