Chapitre II : Le transistor bipolaire Chapitre II : Le transistor bipolaire II.1. 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 max Bande passante Bipolaire courant Amplification, commutation 10A 0 → GHz MOS, FET, JFET, MOSFET tension Commutation 5A 0 → 10MHz 200A 0 → MHz Commutation en électronique de puissance Nous nous intéresserons ici simplement au transistor bipolaire. IGBT courant II.2. Fonctionnement physique : 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. 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. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 1/7 Chapitre II : Le transistor bipolaire ATTENTION : Le fonctionnement décrit précédemment est un comportement simplifié à l'extrême. De prime abord il est parfaitement possible de considérer le fonctionnement d'un transistor bipolaire comme celui de 2 diodes indépendantes, mais c'est faux car dans la réalité il existe un fort couplage entre les 2 jonctions PN de manière à réaliser l'effet transistor. Polarisation directe E Polarisation inverse P N P Polarisation inverse C E N P B C E C VBE>0 B Polarisation directe C N B E VBE<0 Polarisation directe Polarisation inverse Polarisation inverse E B Polarisation directe E C C B B Figure 1 : Polarisation des jonctions PN pour avoir l'effet transistor. Le comportement décrit précédemment nous amène aux déplacements de courant représentés sur la Figure 2 pour un transistor PNP. A partir de ces informations nous allons mettre en équation ce comportement et tenter d'avoir une relation liant les courants IE, IC et IB. Porteurs majoritaires Porteurs majoritaires E IE Idp IdnPorteurs minoritaires IS I'i N P Idp1 IC C IC C P IB= Idp-Idp1+Idn-I'i-IS B Porteurs majoritaires Porteurs majoritaires E IE Idn N IdpPorteurs minoritaires IS I'i P Idn1 N IB= -(Idn-Idn1+Idn-I'i-IS) B Figure 2 : Déplacement des porteurs dans les transistors PNP/NPN en mode direct. ATTENTION : Les orientations des courants IE, IC, IB et des courants internes sont les orientations réelles pour le transistor PNP de la Figure 2. Concernant le NPN, les courants internes sont orientés suivant les sens réel, pour les courants IE, IC, IB c'est l'orientation Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 2/7 Chapitre II : Le transistor bipolaire normalisée qui est donnée (convention de signe). I E =I dp I dn −I ' i loi des noeuds au point B , I B I C =I E I C =I dp1I S I B =I dp I dn −I ' i −I dp1−I S I posons = dp1 ⇔ I E =I dp1 , avec ∈[0,95 ; 0,999] IE I C = . I E I S = . I B . I C I S ⇔ I C . 1− = . I B I S 1 I C= . I B . I S , posons = , avec ∈[20 ; 500] 1− 1− 1− 1 1 I C =. I B . I S , . I B ≫ . I S puisque I S est de l ' ordre du nA. 1− 1− I C =. I B { } II.3. Équations à forts signaux : Dans le semi-conducteur il existe 2 types d'équations de conduction : dn – une pour les électrons e-, J n n =q. µ n . n x. q. n. dx dp – l'autre pour les trous p+, J p n =q. µ p . p x. q. p. dx D k.T = Auquel on peut ajouter la relation d'Einstein : µ q – q : charge de l'électron = 1,6.10-19C – k : constante de Boltzman = 1,381.10-23J.K-1 – T : température exprimée en °K – V T= k.T ≃25 mV à 300°K q A- Modèle d'Ebers-Moll : Nous allons regarder ici un modèle valable uniquement en forts signaux et en mode statique, c'est le modèle d'Ebers-Moll. E αI.I2 IE αD.I1 IC C IB I1 I2 B Figure 3 : Modèle d'Ebers-Moll du transistor. – – – αD, gain en courant du montage en base commune en mode direct (mode normal), αD≃1, β grand, αI, gain en courant du montage en base commune en mode inverse, αI⇢ 0. I 1=I S1. e q.V BE . k.T −1 Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 3/7 Chapitre II : Le transistor bipolaire e q.V BC I 2=I S2. −1 . Compte tenu des conventions de signes (les courants ont été pris rentrant dans le transistor), αD, αI, IS1, IS2, sont négatifs avec D .I S1 = I .I S2 . – . k.T ATTENTION : Ce modèle ne tient pas compte des phénomènes de contre-réaction qui sont les phénomènes permettant d'obtenir pour l'effet transistor. I E =I 1 I .I 2 =I e e q.V BE . k.T S1. −1 .I e −1 .I e q.V BC . k.T I q.V BC . k.T I C =I 2 D .I 1 =I S2. I B =−I E −I C =−I 1− I . I S2. −1 q.V BE . k.T −1 2 −I 2 − D .I 1 =−I 1. 1 D −I D S1. 2. 1 I B- Mode direct : Dans le mode direct la jonction BE est polarisée en direct et la jonction BC est polarisée en inverse. Ce qui donne au niveau des courants : e I E =I S1. e { q.V BE k.T I 1 ≈ I S1. I 2 ≈−I S2 q.V BE k.T − I . I S2 , hors I . I S2 ≈0 ⇒ I E ≈ I S1. e q.V BE k.T } I C = D . I 1 I 2 ⇔ I C = D . I E − I . I 2 I 2 = D . I E 1 − D . I . I 2 I E =I 1 I . I 2 ⇔ I 1=I E − I . I 2 I C0 I C ≈ D . I E I 2 ≈ D . I E C- Mode inverse : Dans le mode inverse la jonction BE est polarisée en inverse et la jonction BC est polarisée en direct. Ce qui se traduit au niveau des courants : I 1 ≈−I S1 I 2 ≈ I S2. e q.V BC k.T I C ≈− D . I S1 I S2 . e I C ≈ I S2 . e q.V BC k.T q.V BC k.T D- Montage émetteur commun : IB VBE IC IE VCE Figure 4 : Montage émetteur commun en mode direct. Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 4/7 Chapitre II : Le transistor bipolaire I 1 =I S1 . e q.V BE k.T 0 I C = D . I E I C0 ⇔ I E = I B =− I E I C =− ⇔ I B− I C0 D I C −I C0 D I C −I C0 D =−I C . 1 I C =− IC D − I C0 D I C =− I C . 1 I 1 − C0 D D − 1 1 ⇔ I C = D . I B . I C0 D 1 D 1 D D 1 , gain en courant du montage EC en mode direct , 1 D =− 1 D 1 D I C = D . I B 1 D . I C0 , I CE0 peut ne pas être négligeable D =− I CE0 E- Effet Early : Si on trace le réseau de courbes IC=f(VCB) à IE constant et le réseau IC=f(VBE) à IB constant on observe que ces réseaux sont convergent vers un point que l'on nomme la tension d'Early VA. Cette tension est très grande elle vaut dans les 130V pour les transistors NPN et 60V pour les PNP. IC IE=constant VCB VA(β+1) tension d'Early IC IB=constant VCE VA tension d'Early Figure 5 : Représentation graphique de la tension d'Early. I C −I CE0 = D . I B . 1 V CE V ⇔ I C = D . I B 1 CE I CE0 VA VA effet Early – – F- Limite de saturation : Pour rappel : la jonction BE est polarisée en direct VBE≃0,7 à 0,8V la jonction BC est polarisée en direct VBE≃0,7 à 0,8V Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 5/7 Chapitre II : Le transistor bipolaire IC V CC RC VCC RC IB VBE VCE IE VCEsat Figure 6 : Tension de saturation. VCE VCC G- Tension de claquage : 1- Montage base commune : IC E C B VCB IC0 VCBmax VCB Figure 7 : Courbe IC0=f(VCB) dans le montage base commune. I C = D . I E =M. D . I E , M : facteur de multiplication 1 M= , 3n6 n V CB 1− V CBmax VCBmax : tension de claquage qu'engendre l'effet d'avalanche. 2- Montage émetteur commun : M. D I B =− I E I C =−I E. 1M. D ⇔ I C =− .IB 1M. D I si M. D −1 ⇒ C ∞ IB 1 D D V CEmax 1 =−1 ≈ ⇔ = 1 D n = 1 n n 1 V CBmax V CB V CEmax n 1D 1− 1− V CBmax V CBmax 1 V CEmax V CBmax , avec V CEmax≈ V CBmax 2 II.4. Équations petits signaux : Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 6/7 Chapitre II : Le transistor bipolaire II.5. Limitation HF du fonctionnement du transistor : II.6. Caractéristiques des transistors : Fait sous Linux et OpenOffice/StarOffice Page 7/7