PRÉAMBULE PRINCIPE ET CARACTERISTIQUES. A. INTRODUCTION À L’EFFET TRANSISTOR. B. LE TRANSISTOR RÉEL 1. Principe de fonctionnement. 2. Constitution et caractéristiques physiques d’un transistor. 3. Courants de fuite. 4. Symboles, tensions et courants. Transistor NPN Transistor PNP C. CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES. 4. 5. 8. . Montages de base. 2. Schéma de mesur 3. Caractéristique de Caractéristique de 6. Limites d’utilisatio 7. En bref OF40 p g Paramètres essentiels des transistors. MONTAGES DE BASE. A. PRELIMINAIRE. 1. Mise en œuvre du transistor.
Alimentation. Polarisation. Conversion courant/tension. Liaisons. Insensibilité du montage aux paramètres du transistor. 2. Méthodologie de calcul. 3. Schéma équivalent alternatif petits signaux du transistor. Paramètres hybrides. B. MONTAGE ÉMETTEUR COMMUN. COMMUNE. 1. Polarisation. point de fonctionnement. 2. Fonctionnement en petits signaux alternatifs. Fonctionnement intuitif. Gain en tension. Impédance d’entrée. Impédance de sortie. Bilan. Utilisation du montage. E. REMARQUES FONDAMENTALES. FONCTIONNEMENT EN HAUTE FRÉQUENCE 1.
Schéma équivalent de Giacoletto. 2. Théorème de Miller. Définition. Application au schéma de Giacoletto. Autres appl’cations. I. PREAMBULE Il existe une catégorie de composants (qu’ils soient électriques, mécaniques, etc. ) très intéressante : c’est celle qui permet d’obtenir en sortie du dispositif une grandeur de même nature et proportionnelle au stimuli d’entrée. Les exemples foisonnent : Le levier, qui permet d’avoir en sortie un effort plus important qu’en entrée, ou bien un déplacement plus important (ou plus faible) que celui appliqué à l’entrée.
Cengrenage, qui est la même chose que le levier pour les mouvements rotatifs : il permet de multiplier ou diviser la vitesse u bien le couple d’entrée. Le transformateur, qui permet de multiplier ou diviser la tension d’entrée. Dans chacun de ces cas, la variable de sortie est de même nature que le stimuli à l’entrée, et il existe un coefficient de proportionnalité entre les deux, indépendant du stimuli d’entrée, donc intrinsèque au dispositif.
Il faut toutefois noter que dans tous les cas cités, il y a conservation de l’énergie : l’énergie à la sortie du composant est la même que celle à l’entrée. Il existe d’autres dispositif s mêmes 2 40 mêmes caractéristiques que ceux précédemment cités, et qui en lus, permettent de multiplier l’énergie : on trouve en sortie du dispositif une énergie supérieure à celle fournie à l’entrée. Bien entendu, il n’y a pas de génération spontanée d’énergie, il faudra donc au dispositif une entrée supplémentaire par laquelle une source sera susceptible de fournir de l’énergie.
Dans ce cas, il n’y a pas seulement transformation de la sortie proportionnellement à l’entrée, mais transfert d’énergie d’une source extérieure à la sortie du dispositif, ce transfert étant contrôlé par l’entrée. Des exemples mécaniques bien connus sont respectivement les reins et la direction assistée. Dans le premier cas, l’effort de freinage est proportionnel ? l’effort exercé sur la pédale, mais une source d’énergie auxiliaire permet d’avoir à la pédale un effort beaucoup plus faible que ce qu’il faudrait sans l’assistance.
Dans le deuxième cas, on a la même chose : les roues tournent proportionnellement à l’angle de rotation du volant, mais la plus grosse partie de l’effort est prise en charge par un dispositif hydraulique. Dans les deux cas, le dispositif permet damplifier l’effort exercé tout en le conservant proportionnel au stimuli d’entrée, ce qui acilite la commande. Un tel dispositif est en fait un robinet de régulation d’énergie : il faut disposer d’un réservoir d’énergie, on pose le robinet dessus, et on peut disposer de l’énergie proportionnellement à une commande d’entrée.
En électronique, un tel composant est intéressant, car il va permettre d’amplifier un signal, et de commander des actionneurs 3 40 est Intéressant, car il va permettre damplifier un signal, et de commander des actionneurs requérant de la puissance (haut parleurs moteurs, etc. ) avec des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone, sonde de température, de pression,). Le transistor à jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en électronique.
Son domaine d’action est donc particulièrement vaste A noter qu’avant le transistor, cette fonction était remplie par des tubes à Vide (triodes entre autres). L’avènement du transistor n’a donc pas apporté la fonction miracle en elle même, mais une commodité d’utilisation, l’encombrement réduit (les tubes à vide ont besoin d’un système d’alimentation complexe avec des tension relativement élevée, et nécessitent une adaptation d’impédance en sortie (transformateur)), et plus tard, la fiabilité, le aible coût Il. PRINCIPE ET CARACTÉRISTIQUES.
A. INTRODUCTION A L’EFFET TRANSISTOR. Nous avons déjà vu à propos de la diode que si celle-ci est polarisée en inverse, les porteurs minoritaires (électrons de la zone P et trous de la zone N, créés par l’agitation thermique) traversent sans problèmes la jonction et sont accélérés par le champ extérieur. On a vu aussi que lorsque les porteurs majoritaires d’une zone franchissent la jonction, ils deviennent minoritaires dans l’autre zone, et qu’ils mettent un certain temps à se recombiner avec les porteurs opposés.
Partant des deux remarques précédentes, on peut déduire que si on injecte dans la zone N d’une jonction NP polarisée en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des porteurs minoritaire 4 0 jonction NP polarisée en inverse beaucoup de trous (qui seront dans cette zone des porteurs minoritaires) en faisant en sorte qu’ils ne se recombinent pas avec les électrons de la zone N, ils vont traverser la jonction et créer un courant dans le circuit extérieur. Fig. 1. Injection de trous dans une zone N.
La figure 1 illustre ce propos : il y aura des recombinaisons charges + et – encerclées), mais limitées, et la plupart des trous iront dans la zone p et formeront le courant 12. A noter que les recombinaisons correspondent au courant Il -12. 3. LE TRANSISTOR RÉEL. Ce que nous venons de décrire n’est ni plus ni moins que l’effet transistor : il ne manque que le moyen d’injecter des trous dans la zone N et de faire en sorte que les recombinaisons soient faibles, pour que la majorité des trous passent dans la zone P. Dans le transistor réel, on va apporter les trous en créant une jonction PN, que l’on va polariser en direct.
On rajoute pour ce aire une zone P sur la zone N du montage Fig. 1. Cette zone P qui injecte les trous est alors fémetteur, et la zone N, faiblement dopée est la base. Comme dans le schéma de la Fig. 1. la jonction NP est polarisée en inverse. La deuxième zone P est le collecteur (VOir Fig. Fig. 2. Schéma de principe d’un transistor. Les trous injectés dans la base par l’émetteur ont une faible probabilité de se recombiner avec les électrons de la base pour deux raisons : La base est faiblement dopée, donc, les porteurs majoritaires (électrons) seront peu nombreux.
La base est étroite, et donc les trous émis sont happés s 0 La base est étroite, et donc les trous émis sont happés par le champ électrique collecteur-base avant d’avoir pu se recombiner (la largeur de la base est petite devant la longueur de diffusion des porteurs minoritaires injectés par l’émetteur, qui sont ici les trous). On peut observer le phénomène d’un point de vue différent : quand on injecte un électron dans la base, l’émetteur devra envoyer plusieurs trous dans la base pour qu’il y en ait un qui se recombine avec l’électron émis.
Les autres trous vont passer directement dans le collecteur. En première approximation, le nombre de trous passant dans le ollecteur est proportionnel au nombre délectrons injectés dans la base. Ce rapport de proportionnalité est un paramètre intrinsèque au transistor et s’appelle le gain en courant. Il ne dépend que des caractéristiques physiques du transistor : il ne dépend ni de la tension inverse collecteur base, ni du courant circulant dans le collecteur. (Ceci n’est qu’une approximation, mais dans les hypothèses de petits signaux, c’est assez bien vérifié. On a les relations suivantes : un transistor bipolaire est donc constitué de trois zones de silicium alternativement dopées N et P, formant deux jonctions Le transistor décrit au paragraphe précédent comporte deux zones p et une zone N. Cest une des deux façons d’agencer les jonctions pour fabriquer un transistor : soit une zone P, une N et une P : le transistor est dit PNP, soit une zone N, une P et une N . le transistor est dit NPN. Dans les 6 0 P : le transistor est dit PNP, soit une zone N, une P et une N : le transistor est dit NPN.
Dans les deux cas, la zone centrale (base) est très étroite vis à vis de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires issus de la zone ad]acente (l’émetteur). La base possède en outre la caractéristique d’être très faiblement opée en comparaison de l’émetteur. La relation [1] n’est qu’imparfaitement vérifiée pour une autre raison : si on reprend le schéma Fig. 2. et qu’on coupe la connexion de la base (lb O), on s’aperçoit que le courant circulant dans le collecteur n’est pas nul, dû à des porteurs minoritaires qui passent de la base dans le collecteur.
Ce courant est nommé ICEO. La relation [Il devient donc En pratique, aux températures ordinaires, ce courant de fuite sera négligé. On verra par la suite qu’on s’arrangera pour polariser les montages de telle manière que le point de polarisation soit uasiment indépendant du courant de fuite. Dans le symbole du transistor (figures 3 et 4), une flèche désigne l’émetteur ainsi que le sens de circulation du courant d’émetteur ; c’est le sens de cette flèche qui va repérer le type de transistor : NPN pour un courant d’émetteur sortant du transistor, et PNP dans le cas inverse.
La base est représentée par une barre parallèle à l’axe collecteur- émetteur. D’autres symboles existent, mais celui-ci est le plus usité. Les transistors sont des composants polarisés : les courants indiqués sont les seuls possibles pour un fonctionnement correct. En conséquence, il faudra choisir le type d 0 les seuls possibles pour un fonctionnement correct. En conséquence, il faudra choisir le type de transistor adapté au besoin (NPN ou PNP) et faire attention au sens de branchement. Fig. 3. Courants et tensions sur un NPN.
Dans ce type de transistor, les courants de base et de collecteur sont rentrants, et le courant d’émetteur est sortant. Les tensions VBE et VCE sont ici positives. sont sortants, et le courant d’émetteur est rentrant. Les tensions VBE et VCE sont ici négatives. Fig. 4. Courants et tensions sur un PNP. C. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES. Pour ce paragraphe, nous allons étudier les caractéristiques des transistors NPN. Celles des transistors PNP sont les mêmes aux réserves de signes décrites au paragraphe précédent.
Les transistors NPN sont plus répandus car ils ont de meilleures performances que les PNP (la conductibilité du silicium N est meilleure que celle du silicium p, ainsi que la tenue en tension). 1. Montages de base. Quand on branche un transistor, si on s’arrange pour qu’il y ait une patte commune à l’entrée et à la sortie du montage, il y a 3 manières fondamentales de procéder • a patte commune est l’émetteur : on parle de montage émetteur commun. L’entrée est la base et la sortie le collecteur.
La patte commune est la base : on parle de montage base commune. L’entrée est l’émetteur et la sortie le collecteur. La patte commune est le collecteur : on parle de montage collecteur commun. L’entrée est la base et la sortie l’émetteur. Nous reverrons ces trois montag 40 Nous reverrons ces trois montages fondamentaux dans un chapitre spécifique. 2. Schéma de mesure des caractéristiques. Les caractéristiques qui suivent sont données pour un montage émetteur commun. Le schéma le plus simple est le suivant Fig. 5. Montage de base émetteur commun.
Dans ce schéma, la base est polarisée en direct par la résistance de base Rb : le potentiel de la base est alors de 0,7V environ, car l’émetteur est à la masse et la jonction base émetteur est l’équivalent d’une diode passante. Le collecteur est lui polarisé par la résistance de collecteur RC de telle manière que la tension du collecteur soit supérieure à la tension de la base : la jonction base collecteur est alors polarisée en inverse. On polarise donc convenablement le transistor avec une simple limentation et deux résistances.
Dans ce montage, l’entrée est la base et la sortie est le collecteur. L’entrée est caractérisée par les deux grandeurs IB et VBE, et la sortie par les grandeurs IC et VCE, soit 4 variables. 3. Caractéristique d’entrée. La caractéristique d’entrée du transistor est donnée par la relation IB = f (VBE) @ VCE = cte. En fait, le circuit d’entrée est la jonction base émetteur du transistor, soit une jonction diode. Cette caractéristique va dépendre très peu de la tension collecteur émetteur : on la donne en général pour une seule valeur de VCE. La courbe est la suivante Fig. 6.
Caractéristique d’entrée du transistor. La tension VBE est d’environ 0,7V pour une polarisation normale du transistor (courant de base inférieu VBE est d’environ 0,7V pour une polarisation normale du transistor (courant de base inférieur au mA). Cette valeur est donc légèrement supérieure à celle d’une jonction de diode. 4. Caractéristique de transfert. La caractéristique de transfert est définie par la relation IC = f (IB) @ VCE = cte. Nous avons déjà dit que le courant d’émetteur est proportionnel au courant de base (formule [1]). Fig. 7. Caractéristique de transfert du transistor.
La caractéristique de transfert est donc une droite ; le transistor est un générateur de courant commandé par un courant. Si on considère le courant de fuite ICEO, la caractéristique ne passe pas par l’origine, car IC = ICEO pour IB = O. Le du transistor va varier grandement en fonction du type de transistor : 5 à 10 pour des transistors de grosse puissance, 30 ? 80 pour des transistors de moyenne puissance, et de 100 à 500 pour des transistors de signal. 5. Caractéristique de sortie. La caractéristique de sortie du transistor est définie par la relation C = f (VCE) @ IB = cte.
En pratique, on donne un réseau de caractéristiques pour plusieurs valeurs de IB. Fig. 8. Caractéristiques de sortie du transistor. Sur ces caractéristiques (Fig. on distingue deux zones : une zone importante où le courant IC dépend très peu de VCE ? IB donné : cette caractéristique est celle d’un générateur de courant à résistance interne utilisé en récepteur. Dans le cas des transistors petits signaux, cette résistance est très grande : en première approche, on considérera que la sortie de ce montage ? transistor est un générateur de courant parfait. La zone des 0 0
