Transistor

Le terme Transistor est l'acronyme de Transfert Resistor. Les premiers transistors ont vu le jour en 1948. Le transistor est un composant qui fait partie (comme la diode) de la famille des semi-conducteurs, et qui est considéré comme le successeur du tube électronique (lampe).

Il existe plusieurs familles de transistors, chacun voué à une tache qui se résume souvent à deux fonctions : la commutation (fonctionnement dit en tout ou rien) ou l'amplification (fonctionnement dit linéaire). Par exemple, on peut utiliser un transistor pour commander une ampoule de puissance à partir d'un circuit intégré, qui lui-même n'aurait pas été capable de commander directement l'ampoule (à cause de valeurs de courant ou de tension non compatibles).

On peut dire dans ce cas que le transistor joue le rôle d'interface. L'autre fonction très répandue du transistor est l'amplification en tension, en courant ou en puissance. En amplifiant une tension, le transistor peut être utilisé pour amplifier des signaux de faibles niveaux, dans des préamplificateurs pour microphone ou pour guitare, ou encore dans des amplificateurs d'antenne (radio, TV, CB, etc) pour qu'à partir d'un tout petit signal électromagnétique se baladant dans les airs, vous entendiez votre chanson favorite dans le haut-parleur de votre poste de radio (imaginez l'amplification et les traitements nécessaires ! En amplifiant simultanément la tension et le courant, on arrive au principe de base de l'étage final des amplificateurs audio (exception faite des amplis en classe D qui fonctionnent en numérique). Les anciens transistors étaient au germanium, les transistors actuels sont au silicium.

Quelques transistors au germanium :


 

La notation par lettres et chiffres du composant repose sur une normalisation dont quelques détails sont donnés à la page Notation des composants.

Il existe différents types de transistors : bipolaires, unipolaires (FET, JFET, JUGFET, IGFET), uni jonction (UJT, anciennement appelé transistor filamentaire). Tous ont des caractéristiques qui leur sont propres, et sont capables de travailler sur des plages de puissances très variées (de quelques milliwatts à plusieurs centaines de watts), et sur des plages de fréquences elle aussi très variées (de quelques hertz à plusieurs gigahertz), selon le modèle.



La caractéristique principale d'un transistor est de permettre la variation (on dit aussi modulation) d'un courant entre deux électrodes, quand une tension ou courant est appliqué sur une ou plusieurs autres électrodes. Les transistors ont remplacé les tubes électroniques, sauf dans certaines applications où le tube n'a pas encore trouvé de remplaçant (notamment à cause des limitations en puissance et en fréquence du transistor). Lorsque l'on conçoit un montage électronique, on se doit de choisir le transistor qui convient le mieux à l'application envisagée, en s'aidant des tableaux de caractéristiques fournis par les constructeurs. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'opter pour un transistor capable de commuter des courants de 4A pour allumer une LED qui ne consomme que 20mA. Même chose pour un amplificateur travaillant dans la bande de diffusion TV (UHF), on doit choisir des composants qui peuvent "suivre" (qui sont capable d'amplifier suffisamment à des fréquences élevées).

Il s'agit très certainement du type de transistor le plus employé, aussi bien dans le domaine des basses fréquences que des hautes fréquences, des faibles puissances que des hautes puissances. On l'appelle d'ailleurs tout simplement "Transistor". Il en existe des dizaines de milliers de références, de type NPN ou PNP, mais il est tout de même possible de les classer par ordre de puissance, de fréquence, de gain. Ce qui avouons-le, permet de choisir plus facilement un remplaçant le jour où on ne trouve plus l'original... Un transistor bipolaire possède trois électrodes nommées E (émetteur), C (collecteur) et B (base). Comme dit auparavant, le transistor est principalement utilisé en amplification, ce qui le rend "pratique" pour la réalisation d'amplificateurs (BF ou RF) ou comme interface de puissance. Le transistor bipolaire peut être utilisé en base commune, en émetteur commun ou en collecteur commun, mais c'est en montage émetteur commun qu'on le retrouve le plus souvent (l'émetteur est commun à l'entrée et à la sortie voir page Utilisation du transistor).

Exemples : 2N2222, 2N2907, BC107, BC557, etc...

FET = Field Effect Transistor, Transistor à effet de champ
Le transistor à effet de champ est un transistor unipolaire, et est particulièrement employé quand il est nécessaire d'avoir une très haute impédance d'entrée. Contrairement à l'impédance d'entrée d'un transistor bipolaire, qui varie selon son mode de branchement mais qui reste tout de même assez faible dans tous les cas, le FET présente une résistance d'entrée de plusieurs MOhms à plusieurs dizaines de MOhms. Cette caractéristique principale le destine tout particulièrement aux étages d'entrée BF ou au étages d'entrée d'appareils de mesure (voltmètre ou fréquencemètre par exemple), où son influence sur le signal "prélevé" pourra être insignifiante. Le transistor FET peut également être utilisé en résistance variable : usage dans des VCA ou dans des régulateurs de niveau (compresseur ou limiteur de modulation pour ne citer qu'eux). Un transistor FET possède trois électrodes nommées D (drain), S (source) et G (gate ou porte).

Exemples : 2N3819, 2N5457, J101, etc.

Il existe des transistors MOSFET de petite puissance et de forte puissance. Ceux de forte puissance sont capables de supporter des courants de plusieurs ampères à plusieurs centaines d'ampères, ce qui bien entendu impose une résistance ohmique à l'état passant (RdsOn) très faible. On ne peut en effet envisager d'utiliser un transistor dont la résistance est de 1 ohm pour faire passer 50 ampères. C'est pourquoi il n'est pas rare de trouver des transistors de cette catégorie qui affichent une résistance passante de quelques milli-ohms ou quelques dizaines de milli-ohms. Globalement, et par comparaison aux transistors bipolaires, on arrive à commuter des puissances importantes avec moins de pertes et moins d'échauffement. Ce type de transistor est souvent préféré pour la commande de charges importantes ou pour limiter la taille - ou même supprimer complètement - les encombrants dissipateurs thermiques.

Exemples en faible puissance : BS170.

Exemples en forte puissance : BUZ10, BUZ20, IRF540, IRF840 (8 A / 0,85 ohm), IRFZ44 (49 A / 0,022 ohms), IRF3205 (110 A / 0,008 ohms).

La majorité des transistors classiques (courants) acceptent de travailler sans dommage avec des tensions de quelques dizaines de volts. Quand on veut travailler avec des tensions supérieures à 80 V, il faut commencer à regarder de près le type de transistor qui convient le mieux à l'application envisagée. Pour des tensions de plusieurs centaines de volts, il faut employer des transistors vraiment fait pour.

Exemples : BU508 (bipolaire classique de la déviation horizontale dans les téléviseurs cathodiques), IRGS14 (transistor IGBT / 400 V).

Il s'agit de transistors spécialement conçus pour des applications "rapides". Les capacités parasites entre les jonctions d'un transistor limitent la fréquence de fonctionnement d'un transistor, et si ces capacités parasites sont élevées, le transistor ne peut pas fonctionner rapidement. On ne se pose pas trop la question quand on veut utiliser un transistor en commutation lente, par exemple pour piloter un relais. Mais quand on veut qu'il suive la cadence, il faut bien regarder tout ça de près. Notez que même pour une commutation lente, la vitesse de passage de l'état bloqué à l'état passant est importante, surtout si les courants à commuter sont importants. Plus le transistor commute vite, et moins on perd de puissance. A partir de quelle fréquence peut-on dire qu'un transistor est rapide ? Comme toujours, tout est relatif. Un "bête" 2N2222 est capable de "monter" à 250 MHz, on peut donc l'employer dans le domaine de l'émission radio en FM (bien sûr avec une puissance somme toute modérée). La série des transistors BCxxx est parfaite pour travailler dans le domaine BF, et ces transistors ne s'arrêtent pas à 50 KHz... Aujourd'hui, on peut peut-être dire qu'un transistor dont la fréquence de travail peut grimper à 2 GHz (BFR91 ou BFR96 par exemple, tout deux très rependus et bon marché) est un transistor rapide; demain, il fera peut-être partie de la famille des "lents".

UJT = UniJonction Transistor, Transistor unijonction
PUT = Programmable Unijonction Transistor, Transistor unijonction programmable
Appelé aussi "Diode à double base", le transistor unijonction est un transistor bipolaire un peu particulier, qui possède trois connexions mais une seule jonction (d'où son nom). Ses trois électrodes sont nommées E (émetteur), B1 (base 1) et B2 (base 2). L''UJT est principalement utilisé pour la réalisation d'oscillateurs (à relaxation, pour être précis), car possède la particularité d'offrir une résistance négative dans une partie de sa courbe de caractéristiques. Un transistor unijonction peut être assimilé à une diode associée à un diviseur de tension.
Exemples : 2N2646, ...

Un transistor bipolaire peut se voire confier plusieurs taches, les plus courantes étant l'amplification et la commutation. Mais il trouve aussi sa place pour adapter une impédance, pour inverser un état logique, ou encore pour constituer un oscillateur.

Il existe là aussi un grand nombre de boitiers, plastiques ou métalliques pour la majorité. La taille et la forme diffèrent souvent en fonction de l'application principale pour laquelle le transistor a été conçu. Par exemple, un transistor de très forte puissance, qui peut chauffer beaucoup lors de son fonctionnement, est généralement plat, ce qui permet de le fixer aisément sur une surface de refroidissement (radiateur). Certains transistors fonctionnant à des fréquences très élevées ont quant à eux des pattes disposées à l'horizontal pour faciliter un montage sur circuit imprimé avec des distances de raccord les plus courtes possibles.

La majorité des transistors - qu'ils soient bipolaires ou à effet de champs - possèdent trois pattes, avec parfois une quatrième patte raccordée au boitier (ce dernier étant alors métallique). La correspondance entre schéma électronique et brochage physique n'est pas toujours la même selon le type de transistor employé. Prenons l'exemple du transistor très répandu portant la référence 2N2222 et qui est un transistor NPN présenté dans un boîtier métallique. On trouve pour ce dernier un équivalent appelé PN2222 qui est en boîtier plastique TO92. Pour connaitre le brochage de ce dernier il convient de se référer aux indications fournies par le fabricant dans ses documents techniques (datasheet).



Un transistor de type BC237, également NPN et également en boîtier plastique TO92, présente un brochage inversé par rapport à celui du PN2222 (les connexions E et C sont interverties). Trois pattes suffisent pour disposer d'un nombre suffisant de configurations de câblage dangereuses et brancher un transistor de façon incorrecte et le griller. Il faut donc bien faire attention et toujours vérifier leur câblage avant mise sous tension. Pour faciliter la chose, certains boîtiers intègrent deux transistors, portant le nombre de pattes à 6. Mais cela n'est finalement pas plus compliqué, dans tous les cas il faut se référer au document constructeur correspondant à la marque et au modèle de composant que vous avez sous les yeux. 

 

Il existe plusieurs types de brochages, et un composant de même référence peut même parfois exister avec différents brochages (ce genre de cas n'est heureusement pas majoritaire) ! Vous devez donc impérativement vous renseigner pour savoir comment se branche tel ou tel transistor. Vous trouverez quelques exemples de brochages à la page Transistors - Brochages. Notons que certains transistors peuvent fonctionner de façon quasiment identique en intervertissant deux électrodes entre elles (échange Émetteur et Collecteur pour les transistors bipolaires, ou Source et Drain pour les transistors FET). Ces transistors reçoivent la désignation de transistors bidirectionnels.