Transistor bipolaire

TP Transistor bipolaire
Transistor bipolaire
I. 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 max1Bande passante1
Bipolaire courant Amplification,
commutation 10A 0 → GHz
MOS, FET, JFET,
MOSFET tension Commutation 5A 0 → 10MHz
IGBT courant
Commutation en
électronique de
puissance
200A 0 → MHz
Nous nous intéresserons ici simplement au transistor bipolaire.
II. Objectifs :
Étude des montages en forts et petits signaux
–base commune,
–émetteur commun,
–collecteur commun.
III. Généralités :
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.
Figure 1 : Boîtier
TO39.
1 Ce ne sont que des ordres de grandeurs.
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E
B
C

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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.
Figure 2 : Déplacement des porteurs dans les transistors PNP/NPN en
mode direct.
{
IE=IdpIdn−I 'i
IC=Idp1IS
IB=IdpIdn−I 'i−Idp1−IS
}
loi des noeuds au point B , IBIC=IE
posons =Idp1
IE
⇔ IE=Idp1 , avec ∈[0,95 ;0,999]
IC=.IEIS= .IB.ICIS⇔IC. 1− =.IBIS
IC=
1− .IB1 1− .IS, posons =  1− , avec ∈[20 ;500]
IC=.IB1
1− .IS,.IB≫1 1− .ISpuisque I Sest de l ' ordre du nA.
IC=.IB
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E
C
B
P N P
Idp Idn Idp1
IS
I'i
IEIC
IB= Idp-Idp1+Idn-I'i-IS
Porteurs majoritaires Porteurs majoritaires
Porteurs minoritaires
E
C
B
N P N
Idn Idp Idn1
IS
I'i
IEIC
IB= -(Idn-Idn1+Idn-I'i-IS)
Porteurs majoritaires Porteurs majoritaires
Porteurs minoritaires

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Nous allons étudier dans ce TP le transistor bipolaire NPN 2N3053. A partir des informations
données sur le Data Sheet du constructeur relever :
–la puissance maximale dissipable,
–le courant collecteur maximal à ne pas dépasser,
–la tension collecteur base maximale.
IV. Étude des caractéristiques statiques ou à forts signaux du transistor :
A- montage base commune :
Un montage équivalent fort signal est utile pour fixer le point de fonctionnement du
transistor. On néglige souvent la résistance Rd.
Figure 3 : Modèle équivalent en mode statique du montage
base commune.
Réaliser le montage de la Figure 4 :
Figure 4 : Montage base commune.
–Tracer la courbe IC= f(VCB) pour des courants émetteurs IE = 1, 3, 5, 10mA. Pour cela :
–on fixe le courant émetteur avec l'alimentation VEE et la résistance variable associée,
–puis on fait varier la tension d'alimentation VCC de 0 à 20V.
–A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre α.
–Conclure sur la validité des mesures effectuées.
–En déduire la valeur « approximative » de la résistance de sortie RS.
Remarques
–Pour ce montage le courant collecteur ne s'annule que pour une tension inverse de 0,5 à 0,8V
-fonction du type de transistor-. Expliquez pourquoi ?
–Une résistance est placée en série entre le collecteur et VCC. Cela signifie que les caractéristiques
IC= f(VCB) s'arrêtent pour une tension égale à VCC-RC.IC.
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EC
B
+
-
+
-
1MΩ à 500Ω
1kΩ
VCC
0 à 20V
VEE
0 à 20V IEIC
EC
B
α.IE
EC
Rd
0,6V B

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B- montage collecteur commun :
Réaliser le montage de la Figure 5 :
Figure 5 : Montage Collecteur commun.
–Tracer la courbe IE= f(VEC) pour des courants de base IB = 10, 50, 100, 500µA, 1mA. Pour cela :
–on fixe le courant émetteur avec l'alimentation VEE et la résistance variable associée,
–puis on fait varier la tension d'alimentation VCC de 0 à 20V.
–Ce réseau de courbes est-il convergent en un point particulier VA'?
–Donner sa valeur.
–Tracer la courbe IE=f(IB).
–A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre β.
–Conclure sur la validité des mesures effectuées.
C- montage émetteur commun :
Si on néglige l'effet Early on arrive à un modèle équivalent suffisant pour le calcul du circuit
de polarisation. Ce montage comme le précédant -base commune- ne prend pas en compte les effets
de rétroaction qui sont la base de l'effet transistor.
Figure 6 : Modèle statique du montage émetteur commun.
Réaliser le montage de la Figure 7 :
Figure 7 : Montage émetteur commun.
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E
C
B
+
-
+
-
1MΩ à 500Ω1kΩ
VCC
0 à 20V
VEE
0 à 20V IB
IE
E
C
B
βF.IB
E
C
0,6V
B
E
C
B
+
-
+
-
1MΩ à 500Ω1kΩ
VCC
0 à 20V
VEE
0 à 20V IB
IC

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–Tracer la courbe IC= f(VCE) pour des courants de base IB = 10, 50, 100, 500µA, 1mA. Pour cela :
–on fixe le courant émetteur avec l'alimentation VEE et la résistance variable associée,
–puis on fait varier la tension d'alimentation VCC de 0 à 20V.
–Peut-on à partir de ce réseau de courbes évaluer la valeur de la tension de Early VA ?
–Donner la valeur de la tension d'Early VA.
–Tracer la courbe IC=f(IB).
–A partir de ces courbes en déduire la valeur du paramètre β.
–Conclure sur la validité des mesures effectuées.
Comparaison des différents montages
Donner pour ces 3 montages :
–la position des plots d'entrée et de sortie,
–le gain en tension,
–le gain en courant,
–Conclure sur une application probable de ces montages.
–Les tensions VA et VA' vérifient-elles VA'= (β+1).VA ?
V. Étude des paramètres dynamiques ou à faibles signaux du transistor :
A- Base commune :
1-Modélisation en régime dynamique :
La modélisation en régime dynamique est l'étude du fonctionnement de signaux de
faible amplitude autour du point de fonctionnement statique.
Circuit d'entrée :
La résistance dynamique Rd qui existe dans la jonction PN émetteur-base est le seul terme qui sera
pris en compte dans la modélisation. Cette résistance peut s'exprimer de manière identique à celle
d'une diode
re=Rd=VT
IE
. Cette résistance d'entrée possède plusieurs appellations re, ri ou h11b si
on utilise une représentation du transistor en quadripôle par la matrice hybride.
Circuit de sortie :
Le circuit de sortie est parcouru par un courant qui n'est fonction que du courant d'émetteur IE. Ce
courant est indépendant de la tension base-collecteur. On utilise pour le représenter un générateur de
courant idéal α.IE débitant sur une résistance r0 de valeur très grande.
Figure 8 : Modélisation petits signaux du
montage base commune.
Le fonctionnement n'est que correctement décrit par le paramètre α mais en régime dynamique on
utilise plutôt le paramètre de transconductance gm qui va lier les variations du courant de sortie avec
les variations de la tension d'entrée.
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H21=α.IE
EC
B
h11=reh22=r0