Le transistor bipolaire - Sn-Bretagne

Le transistor bipolaire
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17 juin 1848
Cette date est celle du brevet du premier transistor (TRANSfer resISTOR) à pointes déposé par J.
BARDEEN et W.H. BRATTAIN de la société américaine Bell Telephone. En 1949 c'était le tour du
transistor à jonction imaginé par W. SHOCKLEY et réalisé fin 1951. En 1954 plus d'un million de
transistors avait déjà été produits.
Structure d'un transistor à jonction
Le transistor bipolaire (ainsi nommé pour le diférencier du transistor à effet de
champ) est formé de deux jonctions PN en série, tête-bêche, comme sur la figure ci
contre. L'ordre peut être PNP (en haut) ou NPN (en bas). Les deux jonctions sont
réalisées sur un même monocristal intégré dans un boîtier muni de 3 connexions
reliées à chacune des 3 zones P, N et P ou N, P et P.
Les 3 connexions sont appelées :
- E : émetteur
- B : Base
- C : collecteur
La comparaison avec les deux diodes représentées au-dessus de chacun des deux
dessins s'arrête là car un point très important n'est pas mis en évidence sur les
dessins : la distance entre les deux jonctions, autrement dit l'épaisseur de la zone
dopée correspondant à la base, est extrémement mince : quelques microns
(millièmes de mm).
Le monocristal est dans la grande majorité des cas du silicium et la plupart des
transistors sont des NPN.
La différence entre émetteur et collecteur est dû au dopage plus élevé pour la zone
correspondant à l'émetteur.
Fonctionnement du transistor bipolaire
Le fonctionnement du transistor en tant qu'élément amplificateur est basé sur l'effet transistor. En voici
sommairement le principe.
La même démonstration s'applique au transistor PNP, il suffit alors d'inverser la polarité des sources
de tensions continues.
1 - Le transistor non polarisé
Dans les 3 zones N, P et N les porteurs majoritaires sont régulièrement disséminés : électrons pour
les deux zones N, trous dans la zone correspondant à la base. Pratiquement aucun porteur de charge
ne peut traverser les jonctions PN.
Les trois électrodes sont :
E : émetteur, relié normalement au - de l'alimentation
B : base, l'électrode de commande
C : collecteur; relié normalement au + de l'alimentation
2 - Application de la tension d'alimentation
Une tension d'une dizaine de volts (pratiquement entre 3 et 20 volts) est
appliquée entre le collecteur et l'émetteur.
Pour limiter l'intensité du courant émetteur-collecteur en dessous du courant
maximum (dépendant du transistor), on a placé en série dans le circuit une
résistance. Exemple : alimentation 10 volts, IEC max = 10 mA, R sera choisie à 1
kilohms.
Le champ électrique présent dans le transistor provoque un déplacement des
électrons vers le + de l'alimentation. Toutefois, aux bornes de la jonction EB
(émetteur-base) le champ est nettement plus faible et les électrons de la zone du
collecteur ne peuvent traverser la jonction. Le faible courant émetteur collecteur
est dû aux électrons ayant traversé les jonctions grâce à l'agitation thermique.
3 - Polarisation de la base
Une tension positive (par rapport à l'émetteur) est appliquée sur la base. La
jonction EB, polarisée dans le sens direct, est traversée par un courant
d'électrons important. Comme la distance entre la jonction EB et la jonction BC
est faible, la plupart des électrons se trouvent soumis au champ électrique
important de la jonction BC et sont attirés par le collecteur. Ils traversent alors la
jonction base-collecteur en sens inverse et provoquent un courant émetteurcollecteur intense.
Un faible pourcentage des électrons ayant traversé la jonction EB sont captés
par l'électrode de base.
Le courant collecteur est pratiquement proportionnel au courant base.
Amplification d'un transistor
Un courant base très faible peut provoquer un courant collecteur important. Le rapport entre courant
collecteur IC et courant base IB est le coefficient d'amplification de courant  . Il dépend du transistor
et des conditions d'utilisation (Ic).
Exemple : un transistor a un  de 100 pour un courant collecteur de 100 mA. Quel est le courant
émetteur dans ce cas ?
On commence par calculer IB = IC / 100 = 1 mA. IE = 100+1 = 101 mA.
Tensions et courants dans le transistor
Le schéma ci-contre n'a pas d'autre utilité que de montrer un
transistor NPN, les courants qui le parcourent (sens de
déplacement des électrons) et les tensions mesurables entre ses
connexions.
La représentation symbolique d'un transistor PNP est identique, à
part la direction de la flèche représentant l'émetteur qui est dirigée
vers l'intérieur du cercle.
Les caractéristiques limites d'un transistor
Au-delà de certaines limites : tensions, courant, puissance... un transistor peut être endommagé si ce
n'est détruit. Les valeurs à ne pas dépasser sont :
VCBO : tension collecteur-base (émetteur ouvert) - ex : 50 V
VCEO : tension collecteur-émetteur (base ouverte) - ex : 45 V
VEBO : tension émetteur-base (collecteur ouvert) - ex : 6 V
ICM : courant collecteur crête - ex : 6 V
IBM : courant base - ex : 200 mA
PTOT : puissance totale dissipée - ex : 300 mW
Tj : température de jonction - ex : 175 °C