LES TRANSISTORS BIPOLAIRES

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LES TRANSISTORS
BIPOLAIRES

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Le transistor a été officiellement inventé en 1948, dans les
laboratoires de Bell Telephone, par les trois physiciens
américains suivants :
- Brattain Walter Houser (1902-87), né à Amoy en Chine,
- Bardeen John (1908-91), né à Madison, Wisconsin,
- Shockley William Bradford (1910-89), né à Londres.
Shockley fut l’initiateur et le directeur du programme de
recherche sur les semi-conducteurs, qui amena à la
découverte du transistor.
Les premiers transistors ont été commercialisés en 1952.
Pour leurs travaux, les trois physiciens américains ont reçu
le prix Nobel de physique en 1956.
NPN
PNP
B
C
E
B
C
E
Le transistor fonctionne en amplificateur du courant
électrique. Les variations d’un courant de base, sont
reproduites par un courant plus grand.
Base Collecteur
Emetteur
En électronique, le transistor permet d’amplifier le signal
électrique qui véhicule une information.
De nos jours le transistor est le composant de base en
électronique. Il permet la réalisation structurelle de toutes les
fonctions élémentaires concernant les signaux électriques.
Certains transistors peuvent fonctionner jusqu’à des
fréquences de 5GHz ou des puissances de 300W.
Des milliers de fonctions élémentaires à base de transistors
peuvent être intégrés sur une même pastille. Ces pastilles
sont appelées cicuits-intégrés.
Exemple :
- Pour traiter le signal électrique très faiblement reçu par
une antenne, la radio est constituée de plusieurs étages
amplificateurs à transistor.
- Afin de pouvoir contrôler la vitesse d’un petit moteur
électrique, un variateur électronique utilise un transistor
comme interface de puissance.
P
N
P
N
P
N
Base
Collecteur
Emetteur
Base
Collecteur
Emetteur
Transistor NPN Transistor PNP
BE CBE C
N
P
NP
N
P
Le transistor est constitué par un cristal semi-conducteur
dans lequel trois zones sont respectivement dopées en
porteurs N,P,N ou P,N,P.
Ces trois zones successives sont nommées :
- Le collecteur,
- La base,
- L’émetteur.
Deux jonctions NP et PN, apparaissent dans ce cristal,.
NPN
C
B
E
PNP
C
B
E
GENERALITES
HISTORIQUE
SYMBOLES
PRINCIPE DE BASE
APPLICATIONS
CONSTITUTION INTERNE

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Ces jonctions sont rendues passantes suivant la polarité des
tensions qui leur sont appliquées.
PRINCIPE DE LA POLARISATION
Le transistor doit être alimenté en énergie électrique.
L’information est représentée par de petites variations
électriques, autour du point de polarisation moyenne.
Le point de polarisation moyenne du transistor, est calculé
pour satisfaire la règle suivante :
La jonction Base/Emetteur est polarisée en directe (PN) et la
jonction Collecteur/Base est polarisée en inverse (NP).
La polarité de l’alimentation d’un transistor PNP est donc
opposée par rapport à celle d’un transistor NPN.
Dans le cadre d’une polarisation correcte du transistor, le
rapport entre le courant collecteur et base (Ic/Ib) est constant
et compris entre 20 et 500. Ce rapport représente le gain en
courant du transistor, il est noté b ou H21.
NOTATION DES GRANDEURS ELECTRIQUES
GRANDEURS STATIQUES.
Les équations de fonctionnement statique du transistor
s’écrivent :
Ic=b ´ Ib ou Ic= H21 ´ Ib
Ie= Ic+ Ib = (H21 + 1) ´ Ib
Vce = Vcb + Vbe
Avec :
Vbe » ±0,7V pour les transistors au silicium.
Vbe » ±0,2V pour les transistors au germanium.
GRANDEURS DYNAMIQUES.
En régime de petits signaux (dynamique), seules les
variations des grandeurs électriques sont prises en compte.
Les équations de fonctionnement linéaire du transistor
s’écrivent : ie=ic + ib
vce =vcb + vbe
vbe = h11 ´ib+ h12 ´vce
ic= h21 ´ib+ h22 ´vce
ou : ib= Y11 ´vbe+ Y12 ´vce
ic= Y21 ´vbe + Y22 ´vce
LES CLASSES DE POLARISATION STATIQUE
Un étage amplificateur à transistor peut utiliser différents
principes de polarisation. Suivant la position du point de
repos sur la caractéristique Ic= f(Vbe)du montage, on
distingue quatre classes principales de polarisation : Classe
A, Classe B, Classe AB, Classe C.
POINTS DE REPOS
1A
0,5A
0,5V 1V
Classe B
Classe C
Classe A
Classe AB
Ic = f(Vbe)
CLASSE A
La polarisation est calculée pour que le courant Ic ne
s’annule jamais. Le point de repos est choisi assez haut sur
la caractéristique Ic= f(Vbe).
CLASSE B
Cette classe utilise une paire complémentaire de transistors
NPN et PNP.
La polarisation de chaque transistor NPN ou PNP, est
calculée pour que le courant Ic s’annule pendant une
alternance respectivement négative ou positive du signal. Le
point de repos est choisi à l’origine de la caractéristique Ic=
f(Vbe).
CLASSE AB
Comme la classe B, cette classe utilise une paire de
transistors complémentaires, NPN et PNP.
La polarisation de chaque transistor NPN ou PNP, est
calculée pour que le courant Ic s’annule pendant une
alternance respectivement négative ou positive du signal. Le
point de repos est ici choisi à la limite de la conduction sur
la caractéristique Ic= f(Vbe).
MISE EN ŒUVRE ELECTRIQUE

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CLASSE C
La polarisation du transistor est calculée de façon à ce que le
courant Ic s’annule pendant une alternance du signal. Le
point de repos est choisi à l’origine de la caractéristique Ic=
f(Vbe). Cette classe peut être utilisée pour « redresser » un
signal modulé en alternatif.
MODELISATION EN BASSE FREQUENCE
h11 1/h22 h21 ´ ib
B
C
E
i
b
ic
i
e
h12 ´ vce
SYMBOLE DESIGNATION VALEUR
h11 Résistance d’entrée
base/émetteur Ut/Ib Ut=26m
V
W
h12 Réaction en tension 0,1 à 1 ‰
h21 Gain en courant 20 à 500
1/h22 Résistance
collecteur/émetteur 10 à 100 kW
Pour de faibles variations (régime de petits signaux) autour
d’une polarisation moyenne (point de repos), les équations
de fonctionnement du transistor s’écrivent :
vbe = h11 ´ib+ h12 ´vce
ic= h21 ´ib+ h22 ´vce
ie=ic + ib
H12 a une influence généralement négligeable et, il n’en
sera pas tenu compte par la suite.
MODELISATION EN HAUTE FREQUENCE
SCHEMA EQUIVALENT SIMPLIFIE
h11
1/h22 h21´Ib
Ib
Ic
Ie
Ccb
Cbe
SYMBOLE DESIGNATION VALEUR
h11 Résistance d’entrée
base/émetteur Ut/Ib Ut=26m
V
W
h21 Gain en courant 20 à 500
1/h22 Résistance
collecteur/émetteur 10 à 100 kW
Ccb Capacité de jonction
collecteur/base qq1 pF
Cbe Capacité de jonction
base/émetteur qq 10 pF
SCHEMA NATUREL DE GIACOLLETTO
rb’e rce gm´Vb’e
Ib
Ic
Ie
rbb’
Cb’e
Ccb’
rcb’
B’
B C
E
SYMBOLE DESIGNATION VALEUR
rb’e Résistance de
jonction
base/émetteur
Ut/Ib
Ut=26mV W
cb’e Capacité de jonction
base/émetteur qq10 pF
rbb’ Résistance de
connexion de base qq 10 W
rcb’ Résistance de
jonction
collecteur/base
qq1 MW
ccb’ Capacité de jonction
collecteur/base qq1 pF
gm transconductance qq100 mA/V
rce Résistance
collecteur/émetteur 10 à 100 kW
MODELES DYNAMIQUES

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Dans le montage ci-dessus, à émetteur commun, le transistor
est polarisé en classe A. Le courant collecteur ne s’annule
jamais dans des conditions normales d’utilisation. La
polarisation du transistor est calculée pour que la tension
Vce au repos, soit proche de Vcc/2.
CALCUL THEORIQUE DU POINT DE REPOS.
En l’absence de signal d’entrée, les grandeurs physiques sont
statiques. Les condensateurs sont équivalents à des
interrupteurs ouverts et isolent les tensions continues.
La tension Vbase/masse est fixée par le pont diviseur R1/R2.
En négligeant le courant dans la base du transistor :
R2
R1
R2
VccVbm + =
La tension continue Vbase/émetteur est considérée constante
égale à 0,7V. VbeVbmVem
-
=
R3 permet de fixer le courant dans l’émetteur.
IcR3) Vcc- (R4Vce R3
Vbm-Vbe
IeIc
R3
Vem
Ib 1) (H Ib IcIe 21
´+»
=»
=´+=+=
ETUDE THEORIQUE DE LA STABILITE DU POINT DE REPOS EN
FONCTION DE LA TEMPERATURE.
La résistance R3 assure également une réaction contre les
effets thermiques sur la polarisation moyenne du transistor.
Quand la température augmente la tension Vbe diminue de
2mV/°C quelque soit le transistor. De plus, le courant de
fuite de la jonction CB double tous les 7°C pour les
transistors silicium et tous les 10°C pour les transistors au
germanium. On pose la relation : VbeSIcbSIc
d
d
d
´
+
´
=
'
Le schéma équivalent suivant permet de calculer la valeur de
S et S’.
S : Coefficient de stabilité en courant de
fuite
S = dIc / dIcb
en négligeant H22,
( ) [ ]
( ) [ ]
þ
ý
ü
î
í
ì++
++
=++
2
1
1
1
311
31
1121
1121
RRHRH
I
HRHI cb b
d
d
( ) [ ]
þ
ý
ü
î
í
ì÷
ø
ö
ç
è
æ++++
=
2
1
1
1
311 1121 RR HRH
I
Icb b
d
d
cbbc IIHI
d
d
d
+
=
.21
( ) [ ]
cb
cb
cI
RR
HRH
I
HI d
d
d +
þ
ý
ü
î
í
ì÷
ø
ö
ç
è
æ++++
=
2
1
1
1
311 1121
.21
( ) [ ]
1
2
1
1
1
311 1121
21 +
þ
ý
ü
î
í
ì÷
ø
ö
ç
è
æ++++
=
RR
HRH
H
S
þ
ý
ü
î
í
ì÷
ø
ö
ç
è
æ++
»
2
1
1
1
31 .21
21
RR
RH
H
S
S’ : Coéficient de stabilité en tension de
jonction
S’ = dIc / dVbe
en négligeant H22,
( )
[ ]
ï
þ
ï
ý
ü
ï
î
ï
í
ì
+
+++
-
=
2
1
1
11
31 1121
RR
HRH
V
Ibe b
d
d
bc IHI
d
d
.21
=
PRINCIPAUX ETAGES A TRANSISTOR EN
CLASSE A
EMETTEUR COMMUN