Transistor bipolaire

L'invention du transistor pourrait facilement être considérée comme étant l'invention du siècle.

En effet, le transistor a fait en sorte que l'on a pu éliminer les tubes électroniques (lampes), qui demandaient à la fois beaucoup d'espace et un temps de réchauffement avant leur utilisation.

Trois physiciens à l'emploi de la compagnie Bell sont à l'origine de cette importante invention :

- John Bardeen, qui développa les principes de la supraconduction ;

- Walter Brattain et William Shockley, qui ont modifié la structure du transistor pour en améliorer le fonctionnement.

Aujourd'hui, les transistors font partie de notre quotidien. On en retrouve dans nos téléviseurs, nos radios et même dans nos ordinateurs sous forme de circuits intégrés.

Dans cette étude, vous aurez l'occasion de voir :

• les types de transistors bipolaires,
• leur principe de fonctionnement;
• les rôles qu'ils jouent dans un système électronique.

Le transistor ressemble énormément à une diode à laquelle on aurait ajouté un étage.

Le transistor est constitué de trois (3) sections de semi-conducteur.

Il existe deux types de transistors bipolaires :

• le transistor bipolaire de type PNP ;
• le transistor bipolaire de type NPN.

Les lettres B, C et E qui identifient chacune des pattes ont la signification suivante :

• B= base ; 
• C = collecteur ; 
• E = émetteur.

La figure suivante présente ces deux types de transistors avec leur symbole respectif.

Transistors bipolaires :

Si on branche un générateur Vcc entre le collecteur et l'émetteur:

aucun courant ne peut circuler puisque le transistor est équivalent à deux jonctions PN en opposition entre collecteur et émetteur, (figures ci-dessous). Le transistor est bloqué.

Transistor bloqué :

+ Charge positive libre

- Charge négative libre

 Charge négative en déplacement participant au courant électrique.

Circuits équivalents du transistor bloqué :

Transistor passant :

Si on ajoute un générateur Vbb entre base et émetteur le champ Eb supérieur à e2 va permettre de vaincre la barrière de potentiel créée par la jonction et autoriser la circulation des électrons entre émetteur et base, il va donc se créer un courant Ib (figure ci-dessus).

Ces électrons vont sous l'action du champ électrique Ec (crée par Vcc) rejoindre le collecteur et ainsi il va se créer un courant Ic. Le transistor devient passant.

On peut remarquer que Ic va augmenter proportionnellement à Ib .

En résumé :

1) Si Ib = 0, on a Ic = 0, le transistor est bloqué.

2) Si ib circule, on a Ic qui circule entre collecteur et émetteur, le transistor conduit.

La structure du transistor le rend donc apte à amplifier un signal d'entrée. Pour ce faire, le transistor doit être polarisé ; c'est-à-dire qu'il y aura une différence de potentiel entre base et émetteur (V_BE) et collecteur et émetteur (V_CE). En général, on peut calculer le gain d'un transistor avec les équations suivantes :

I_E = I_B + I_C ;

où

I_E = courant d'émetteur ;
I_B= courant de base ;
I_C= courant de collecteur ;

En amplification, le transistor bipolaire utilise un courant de base pour commander un courant émetteur-collecteur beaucoup plus élevé .

3) Le gain d'un transistor se situe habituellement aux environs de 100. Ce gain est aussi appelé h_FE par les constructeurs.

Si on injecte un courant Ib au transistor et que l'on relève le courant Ic en faisant varier Vce, on observe la caractéristique de la figure suivante.

Pour chaque valeur de Ib on obtient une caractéristique.

Réseau de caractéristiques Ic = f (Vce) :

On remarque que :

- lorsque Ib = 0, Ic est sensiblement égal à 0 quel que soit Vce.

- lorsque Ib augmente, Ic augmente proportionnellement à Ib .

- il existe des valeurs maximales à ne pas dépasser sous peine de destruction de transistor. Ces valeurs sont Ic maximal, Vce maximal et la puissance maximale que le transistor peut dissiper (P = Vce · Ic).

On retrouve ces valeurs maximales sur les fiches techniques éditées par les constructeurs telle la fiche technique du transistor 2N2218 (figure suivante).

Fiche technique du transistor 2N2218 :

Il existe deux familles de transistors bipolaires : PNP et NPN.

Il existe également, sur le marché, différents modèles de transistors qui varient :

• en forme ;
• en dimension selon l'usage auquel ils sont destinés.

La figure suivante présente quelques-uns des boîtiers de transistors bipolaires.

Modèles de boîtiers :

Cette figure souligne l'importance de l'identification des bornes B, C et E, qui sont très rarement inscrites directement sur le transistor.

Il est donc important de vérifier la position de chaque patte avant de brancher le transistor.

Les divers boîtiers sont conçus de façon à ce que les impuretés comme les poussières, les gaz ou l'humidité contenus dans l'air ne puissent atteindre les matériaux semi-conducteurs.

Plusieurs types de montages, à l'aide du transistor, permettent d'effectuer l'amplification d'un signal.

On peut dès maintenant voir à quoi ressemble certains de ces amplificateurs et leur influence sur le signal d'entrée.

Amplificateur émetteur commun :

Cette configuration d'amplificateur peut fournir un :

• gain en tension ;
• un gain en courant très élevés, de l'ordre de 100 chacun, et du même coup donner un gain en puissance supérieur à tout autre montage.

Il possède également la caractéristique de déphaser la sortie de 180°par rapport à l'entrée.

La figure suivante présente un exemple de ce type d'amplificateur.

Amplificateur à émetteur commun :

Amplificateur base commune :

Ce montage permet aussi d'obtenir un bon facteur d'amplification de la tension.

Toutefois, le gain de courant est de 1, c'est-à-dire que le courant à la sortie est le même qu'à l'entrée.

De plus, contrairement au précédent, la sortie demeure en phase avec l'entrée (figure suivante).

Amplificateur à base commune :

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

- Le transistor bipolaire est un composant électronique qui possède trois régions de matériaux semi-conducteurs.

- Il existe deux types de transistors bipolaires : PNP et NPN.

- Les lettres B (base), C (collecteur) et E (émetteur) sont utilisées pour identifier les pattes du transistor.

- La principale caractéristique du transistor est sa capacité d'amplification.

- La forme du boîtier du transistor peut varier selon son utilisation et sa puissance.