Les bases du transistor bipolaire

Le transistor bipolaire

Un transistor bipolaire (inventé pour la première fois en 1948) est un dispositif amplificateur de courant à trois bornes (base, émetteur et collecteur) dans lequel un faible courant d'entrée peut contrôler l'amplitude d'un courant de sortie beaucoup plus important.

Le terme « bipolaire » signifie que le dispositif est fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs dans lesquels la conduction repose à la fois sur des porteurs de charge positifs et négatifs (majoritaires et minoritaires).

Un transistor normal est constitué d'un sandwich à trois couches de matériau semi-conducteur de type n et de type p, avec la base ou borne de « contrôle » connectée à la couche centrale et les bornes du collecteur et de l'émetteur connectées aux couches externes.

S'il utilise un sandwich de construction n-p-n, comme sur la figure 1(a), il est appelé transistor npn et utilise le symbole standard de la figure 1(b).

FIGURE 1. Construction de base (a) et symbole (b) du transistor npn.

S'il utilise une structure pnp, comme sur la figure 2(a), il est appelé transistor pnp et utilise le symbole de la figure 2(b).

FIGURE 2. Construction de base (a) et symbole (b) du transistor pnp.

Lors de leur utilisation, les transistors npn et pnp nécessitent chacun une alimentation de polarité appropriée, comme le montre la figure 3.

FIGURE 3. Connexions de polarité aux transistors (a) npn et (b) pnp.

Un appareil npn a besoin d'une alimentation qui rend le collecteur positif à l'émetteur - son courant de signal de sortie ou de borne principale (I) circule du collecteur à l'émetteur, et son amplitude est contrôlée par un courant de « contrôle » d'entrée (I) qui provient de la base à l'émetteur via une résistance externe de limitation de courant (R) et une tension de polarisation positive.

Un transistor PNP a besoin d'une alimentation négative - son courant à la borne principale circule de l'émetteur au collecteur et est contrôlé par un courant d'entrée émetteur-base qui est dû à une tension de polarisation négative.

Dans les premières années d’utilisation des transistors bipolaires, la plupart des transistors étaient fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs au germanium.

De tels appareils présentaient de nombreux inconvénients pratiques :

ils étaient fragiles, excessivement sensibles à la température, bruyants électroniquement et avaient de très faibles capacités de gestion de puissance.

Les transistors au germanium sont désormais obsolètes. Pratiquement tous les transistors bipolaires modernes sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs en silicium.

De tels dispositifs sont robustes, ont de bonnes capacités de gestion de puissance, ne sont pas excessivement sensibles à la température et génèrent un bruit électronique négligeable.

Aujourd’hui, une très grande variété d’excellents types de transistors bipolaires au silicium sont facilement disponibles.

La figure 4 répertorie les caractéristiques de base de deux types typiques à faible consommation à usage général — le 2N3904 (npn) et le 2N3906 (pnp) — qui sont chacun logés dans un boîtier en plastique TO-92 et dont les connexions des broches inférieures sont illustrées dans le diagramme.

FIGURE 4. Caractéristiques générales et grandes lignes des transistors en silicium basse consommation 2N3904 et 2N3906.

Notez, lors de la lecture de la liste de la figure 4, que V est la tension maximale pouvant être appliquée entre le collecteur et l'émetteur lorsque la base est en circuit ouvert, et V est la tension maximale pouvant être appliquée entre le collecteur et la base lorsque l'émetteur est en circuit ouvert.

I est le courant moyen maximum qui peut circuler à travers la borne collectrice de l'appareil, et P est la puissance moyenne maximale que l'appareil peut dissiper, sans utiliser de dissipateur thermique externe, à température ambiante normale.

L'un des paramètres les plus importants du transistor est son rapport de transfert de courant direct, ou h — il s'agit du rapport de gain de courant ou de courant de sortie/entrée de l'appareil (généralement 100 à 300 dans les deux appareils répertoriés).

Enfin, la figure f_T indique le gain/bande passante fréquence de l'appareil, c'est-à-dire que si le transistor est utilisé dans une configuration de rétroaction de tension qui fournit un gain de tension de x100, la bande passante est de 1/100 de la figure, mais si le gain de tension est réduit à x10 , la bande passante augmente jusqu'à f /10, etc.

CARACTÉRISTIQUES DES TRANSISTORS

Pour obtenir la valeur maximale d'un transistor, l'utilisateur doit comprendre à la fois ses caractéristiques statiques (DC) et dynamiques (AC).

La figure 5 montre les circuits équivalents statiques des transistors npn et pnp.

FIGURE 5. Circuits équivalents statiques de transistors npn et pnp.

Une diode Zener est inévitablement formée par chacune des jonctions n-p ou p-n du transistor, et le transistor est donc (en termes statiques) égal à une paire de diodes Zener connectées en inverse, câblées entre les bornes du collecteur et de l'émetteur, la borne de base étant câblée à leur point « commun ».

Dans la plupart des transistors de faible puissance à usage général, la jonction base-émetteur a une valeur Zener typique comprise entre 5 V et 10 V — la valeur Zener typique de la jonction base-collecteur est comprise entre 20 V et 100 V.

Ainsi, la jonction base-émetteur du transistor agit comme une diode ordinaire lorsqu’elle est polarisée en direct et comme un Zener lorsqu’elle est polarisée en inverse.

Dans les transistors au silicium, une jonction polarisée en direct laisse passer peu de courant jusqu'à ce que la tension de polarisation atteigne environ 600 mV, mais au-delà de cette valeur, le courant augmente rapidement.

Lorsqu'elle est polarisée en direct par un courant la tension directe de la jonction a un coefficient thermique d'environ -2 mV/C.

Lorsque le transistor est utilisé avec l'émetteur en circuit ouvert, la jonction base-collecteur agit comme celui qui vient d'être décrit, mais a une valeur Zener plus grande.

Si le transistor est utilisé avec sa base en circuit ouvert, le chemin collecteur-émetteur agit comme une diode Zener câblée en série avec une diode ordinaire.

Les caractéristiques dynamiques du transistor peuvent être comprises à l'aide de la figure 6, qui montre les caractéristiques typiques de transfert vers l'avant d'un transistor en silicium npn de faible puissance avec une valeur nominale h (gain de courant) de 100.

FIGURE 6. Caractéristiques de transfert typiques des transistors npn de faible puissance avec une valeur h de 100 nominale.

Ainsi, lorsque le courant de base (I) est nul, le transistor ne laisse passer qu'un léger courant de fuite.

Lorsque la tension du collecteur est supérieure à quelques centaines de millivolts, le courant du collecteur est presque directement proportionnel aux courants de base et est peu influencé par la valeur de la tension du collecteur.

Le dispositif peut ainsi être utilisé comme générateur de courant constant en introduisant un courant de polarisation fixe dans la base, ou peut être utilisé comme amplificateur linéaire en superposant le signal d'entrée sur un courant d'entrée nominal.