Transistors bipolaires

1. Définition

Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives, qui permet de contrôler un courant (ou une tension) sur une des électrodes de sorties (le collecteur pour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor à effet de champ) grâce à une électrode d'entrée (la base sur un transistor bipolaire et la grille pour un transistor à effet de champ).
Le terme transistor provient de l’anglais transfer resistor (résistance de transfert).
Par métonymie, le terme transistor désigne également les récepteurs radio équipés de transistors (originellement appelés poste à transistors).
NB : Le transistor est un composant non linéaire

Applications
Le transistor est le composant électronique actif fondamental en électronique utilisé principalement comme interrupteur commandé et pour l'amplification, mais aussi pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations.

2. Historique

Suite aux travaux sur les semi-conducteurs, le transistor a été inventé le 23 décembre 1947 par les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Téléphone. Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.
Le transistor est considéré comme un énorme progrès face au tube électronique : beaucoup plus petit, plus léger et plus robuste, fonctionnant avec des tensions faibles, autorisant une alimentation par piles, et il fonctionne presque instantanément (l'instantané n'existant pas en électronique. Il y a toujours un décalage, aussi infime soit-il) une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage, généraient une consommation importante et nécessitaient une source de tension élevée (plusieurs centaines de volts).
Il a été rapidement assemblé, avec d'autres composants, au sein de circuits intégrés, ce qui lui permit de conquérir encore plus de terrain sur les autres formes d'électronique active.
Le transistor a constitué une invention déterminante sans laquelle l'électronique et l'informatique ne posséderaient pas leurs formes actuelles.

3. Classification des transistors

Il existe plusieurs types de transistors :

Transistors bipolaires

   

Transistors à effet de champ

Parmi les transistors à effet de champ (ou FET, pour Field Effect Transistor), on peut distinguer les familles suivantes :

   * Transistors MOSFET : ils utilisent les propriétés des structures Métal/Oxyde/Semiconducteur

   * Transistors JFET : ils utilisent les propriétés des jonctions PN ; leur mise en œuvre (schémas, calcul des éléments du circuit et des caractéristiques des montages) est décrite dans l'article Transistor JFET.

Transistor à unijonction

Un transistor unijonction (souvent appelé UJT, d'après le sigle anglais) est une sorte de transistor qui n'est composé que d'une seule jonction.

Il comporte deux bases et un émetteur.

Le transistor dit unijonction, n’est quasiment plus utilisé, mais servait à créer des oscillateurs à relaxation.

4. Applications

Les deux principaux types de transistors permettent de répondre aux besoins de l'électronique analogique, numérique, de l'électronique de puissance et haute tension.

       * La technologie bipolaire est plutôt utilisée en analogique et en électronique de puissance.
       * Les technologies FET et CMOS sont principalement utilisées en électronique numérique (réalisation d'opérations logiques). Ils peuvent être utilisés pour faire des blocs analogiques dans des circuits numériques (régulateur de tension par exemple). Ils sont aussi utilisés pour faire des commandes de puissance (moteurs) et pour l'électronique haute tension (automobile). Leurs caractéristiques s'apparentent plus à celles des tubes électroniques. Ils offrent une meilleure linéarité dans le cadre d'amplificateurs Hi-Fi, donc moins de distorsion.
       * Un mélange des deux technologies est utilisé dans les IGBT.
Dans ce cours nous n’étudierons que les transistors bipolaires.

5. Constitution des transistors bipolaires

À première vue, le transistor bipolaire semble être un dispositif symétrique, mais en pratique les dimensions et le dopage des trois parties sont très différents et ne permettent pas d'inverser émetteur et collecteur. Le principe du transistor bipolaire repose en effet sur sa géométrie, sur la différence de dopage entre ses différentes régions, voire sur la présence d'une hétérojonction.
   * Le courant des trous de la base vers l'émetteur doit être négligeable par rapport au courant d'électrons venus de l'émetteur. Cela peut être obtenu avec un dopage très élevé de l'émetteur par rapport au dopage de la base. Une hétérojonction peut aussi bloquer complètement le courant de trous, et autoriser un dopage élevé de la base.
   * Les recombinaisons des électrons (minoritaires) dans la base riche en trous doit rester faible (moins de 1% pour un gain de 100).
Cela impose que la base soit très fine.
   * La surface de collecteur est souvent plus grande que la surface de l'émetteur, pour assurer que le chemin de collection reste court (perpendiculaire aux jonctions)
Les substrats utilisés vont du germanium (série AC, aujourd’hui obsolète), en passant par le silicium, l’arséniure de gallium, le silicium-germanium et plus récemment le carbure de silicium, le nitrure de gallium, l'antimoniure d'indium.
Pour la grande majorité des applications, on utilise le silicium alors que les matériaux plus exotiques tels que l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium sont plutôt utilisés pour réaliser les transistors hyperfréquence et micro-onde.

   * Un transistor bipolaire se compose de deux parties de substrat semi-conducteur dopées identiquement (P ou N) séparées par une mince tranche de semi-conducteur dopée inversement ; on a ainsi deux types :

• N-P-N : deux couches N séparées par une couche P
• P-N-P : deux couches P séparées par une couche N

Pour le transistor bipolaire, la flèche identifie l’émetteur ; elle pointe vers l'extérieur dans le cas d’un NPN, vers l'intérieur dans le cas d'un PNP. L’électrode reliée à la ligne droite figure la base et l’autre électrode figure le collecteur.

6. CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES.

Pour ce paragraphe, nous allons étudier les caractéristiques des transistors NPN.
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.

En électronique bipolaire, le transistor sera toujours considéré comme un quadripôle pour des raisons de simplicité alors qu’en réalité, il a trois pôles.
Pour corriger cette incohérence,  on s'arrange pour qu'il y ait une électrode commune à l'entrée et à la sortie du montage, il y a 3 manières fondamentales de procéder :
Montage émetteur commun
La patte commune est l’émetteur, l'entrée est la base et la sortie le collecteur.
Le transistor bipolaire connecté en émetteur commun peut être utilisé de deux manières différentes : en amplificateur ou en commutation.
En mode amplificateur le transistor se comporte en amplificateur de courant.
Le courant collecteur Ic est relié au courant base Ib par la relation Ic = β.Ib
Le coefficient  β est le gain en courant du transistor. On peut, en première approximation, le considérer comme constant si la température des jonctions est constante.
Si Rc désigne la charge totale placée dans le collecteur et Vce la ddp entre le collecteur et l'émetteur, l'équation de la droite de charge du générateur (fem E) est donnée par la relation :
Vce = E - Rc.Ic
Les performances de ce montage simple sont médiocres car il est très sensible à la dérive thermique. Un accroissement de Ic entraîne une élévation de température qui entraîne une augmentation du gain donc une augmentation de Ic.
En pratique, on utilise des montages qui limitent cette dérive.
En mode commutation, le transistor fonctionne soit avec un courant base nul soit avec un courant base important. Si le courant base est nul, le courant collecteur est nul; il n'y a pas de chute de tension dans Rc et la tension Vce est voisine de la tension d'alimentation. On dit que le transistor est bloqué.
Si par contre Ib est très grand, le transistor est saturé. La tension Vce est alors voisine de zéro est la relation Ic = β.Ib n'est plus valide.
Dans ces deux modes de fonctionnement, la puissance dissipée par le transistor (très voisine de Vce.Ic) est très faible.

Montage collecteur commun
Dans ce montage, l'entrée est la base et la sortie l'émetteur. C'est le collecteur qui est le point commun entre l'entrée et la sortie. On notera que c'est faux pour la polarisation, car le collecteur est relié au +E et l'entrée se fait entre base et masse, et la sortie entre émetteur et masse. En fait, le collecteur est bien commun en alternatif, car le générateur de polarisation +E est un court circuit pour ce régime, et donc, le collecteur va se retrouver à la masse alternative : ce sera donc bien la patte commune entrée sortie.
La patte commune est le collecteur, l'entrée est la base et la sortie l'émetteur.
Montage base commune
En électronique, une base commune est un type d'amplificateur électronique utilisant un transistor bipolaire. Le terme de base commune vient du fait que l'électrode « base » du transistor est reliée à la masse. Dans cette configuration, le signal d'entrée est appliqué à l'émetteur, le signal de sortie étant récupéré au collecteur.

Ce circuit n'est pas le plus employé en basse fréquence, mais il est souvent utilisé pour les amplificateurs qui exigent une impédance d'entrée exceptionnellement basse, comme par exemple les microphones à bobine mobile. Ce circuit est très utilisé dans les amplificateurs à haute fréquence, comme par exemple pour la VHF ou l'UHF car sa capacité d'entrée n'est pas accrue par l'effet Miller, responsable de la chute du gain à haute fréquence du montage à émetteur commun
La procédure de calculs des éléments de polarisation est donc identique à celle du montage en émetteur commun, car seuls les éléments liés au régime alternatif changent.
La raison en est simple : l'amplification est basée sur une augmentation de   IC due à une augmentation de VBE. Pour augmenter VBE, on a le choix entre deux solutions :
* Soit on augmente la tension de base à potentiel d'émetteur constant : c'est le montage émetteur commun.
* Soit on abaisse la tension d'émetteur à potentiel de base constant : c'est le montage base commune.

7. Caractéristiques électriques.

Les caractéristiques qui suivent sont données pour un montage émetteur commun. Le schéma le plus simple est le suivant :
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 alimentation 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.

1. Caractéristique d'entrée.

La caractéristique d'entrée du transistor est donnée par la relation IB = f (VBE) @ VCE = cte, Rb varie
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 :
Caractéristique d'entrée du transistor.

La tension 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.

2. Caractéristique de transfert.

La caractéristique de transfert est définie par la relation IC = f (IB) @ VCE = cte ; en fait, IC =B.
Nous avons déjà dit que le courant d'émetteur est proportionnel au courant de base.
Caractéristique de transfert du transistor.

3. Caractéristique de sortie.

La caractéristique de sortie du transistor est définie par la relation IC = f (VCE) @ IB = cte, Rc varie En pratique, on donne un réseau de caractéristiques pour plusieurs valeurs de  IB.

Caractéristiques de sortie du transistor.

Sur ces caractéristiques, on distingue deux zones :
* Une zone importante où le courant IC dépend très peu de VCE à 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 à transistor est un générateur de courant parfait.
* La zone des faibles tensions VCE (0 à quelques volts en fonction du transistor) est différente. C'est la zone de saturation. Quand la tension collecteur-émetteur diminue pour devenir très faible, la jonction collecteur-base cesse d'être polarisée en inverse, et l'effet transistor décroît alors très rapidement. A la limite, la jonction collecteur-base devient aussi polarisée en direct : on n'a plus un transistor, mais l'équivalent de deux diodes en parallèle. On a une caractéristique ohmique déterminée principalement par la résistivité du silicium du collecteur. Les tensions de saturation sont toujours définies à un courant collecteur donné : elles varient de 50mV pour des transistors de signal à des courants d'environ 10mA, à 500mV pour les mêmes transistors utilisés au maximum de leurs possibilités (100 à 300 mA), et atteignent 1 à 3V pour des transistors de puissance à des courants de l'ordre de 10A.

Malang