Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectronique 4-1COURSChapitre 3TRANSISTORS BIPOLAIRESFONCTIONNEMENT ET POLARISATIONPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectronique 4-2Chapitre 3: TRANSISTOR BIPOLAIRE Construction : Jonctions P-N-P, N-P-N Fonctionnement : IE= IB+ IC Facteur damplification et polarisation Gain de courant |DCet polarisation Modles DC Montage en metteur communO Courbes caractristiques Entre, SortieO Droite de charge statiqueO Point de fonctionnementO Fonctionnement en ampli ou commutateur PolarisationPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectronique 4-3III. Transistor bipolaireIII.1 Introduction le Transistor = llment clef de llectroniqueil peut : amplifier un signal7 amplificateur de tension, de courant, de puissance,... tre utilis comme une source de courant agir comme un interrupteur command ( = mmoire binaire)7 essentiel pour llectronique numrique ...etcil existe : soit comme composant discret soit sous forme de circuit intgr, i.e. faisantpartie dun circuit plus complexe, allant dequelques units (ex: AO) quelques millions detrans tors par circuit (microprocesseurs)Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectronique 4-4 Un TR bipolaire = lment SC dans lequelsont formes 2 jonctions trs voisines.Donc deux rgions de mme types deconductivit (N ou P) sont spares par unemince rgion de conductivit opposeappele base. Il peut y avoir 2 types de transistorssuivant que la rgion centrale (base) est detype N en P.Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectronique 4-5I. Structure et fonctionnement dun transistor bipolaire Structure simplifie

P+PNEBCmetteurcollecteurbaseTransistor PNP Un transistor bipolaire est constitu de 3 zones semiconductrices diffrentes, lmetteur, labase et le collecteur, qui se distinguent par la nature du dopage.ECTransistor NPNNNPB+couplageentre lesdiodesdiode EB diode BC Les deux jonctions PN se partagent la rgion centrale : la base . Le couplage entre lesjonctions est lorigine de l effet transistor : le courant dans lune des diodes(gnralement dans la jonction base/metteur) dtermine le courant dans la seconde. Symtrie NPN/PNP: Les TR: PNP et NPN ont un comportement analogue conditiondinverser les polarits des tensions.diode EB diode BC Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-6Reprsentation symboliqueNNPCBECOLLECTEURBASEEMETTEURPPNCBECOLLECTEURBASEEMETTEURfi g. 1 : transi stor NPNfi g. 2 : transi stor PNPLe TR prsente 2 jonctions P-N dont les sens passant sont opposs: La zone comprise entre les 2 jonctions est trs mince, cest la BASE.

Une des zones extrmes est fortement dope, cest lEMETTEUR du transistor. Lautre zone extrme, faiblement dope, est le COLLECTEUR du transistor.Sur le symbole du composant, lmetteur est distingu du collecteur par une flcheindiquant le sens passant de la jonction base-metteur.Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-7Fonctionnement physique simplifiVBE0VBE= 0,6VIB+IC+IE= 0IB> 0 , IC> 0IE< 0VBE= -0,6VIB+IC+IE= 0IB< 0 , IC

< 0IE> 0Polarisation direct Polarisation inversePolarisation directPolarisation inversePar convention, les courants entrants sont positifsPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-8 En fonctionnement normal, la jonction basemetteur (BE) est polarise en direct tandis quecelle collecteurbase (CB) est en inverse. Pour le transistor NPN, linjection dun courant dansla base contrle un courant proportionnel circulantdu collecteur vers lmetteur (pour le PNP, cestlextraction). Il en rsulte des courants: IE, IC, IBpolarisation TRB.swfPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectronique 4-9FonctionnementRelation entre les courants IE, IC, IBVBE 0SATURATION( Interrupteur ferm )Rgion active directeAMPLIFICATIONGain normalINVERSEVBE< 0Rgion active inverse( Mode damplificationpresque jamais utilis sauf encircuits TTL)

BLOCAGE( Interrupteur ouvert )TR (vulgarisation).ppsBJT AUDIOTD TR en commut.pptBJT PUISSANCEPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-27Point dopration Comme pour la diode, il faut pouvoir calculerle point dopration. Dans le cas du transistor, il sagit de trouverle point dopration sur les deux courbes enmme temps : la courbe dentre et la courbede sortie. En pratique on nutilise pas la droite decharge sur la courbe dentre.Montage en metteur communTransistor NPNMode directNous assumeronsdonc VBE= 0.7lorsque la jonctionB-E est en modedirect peu importeVCECette approximationrendra les calculsplus faciles sanstrop perdre deprcisionMontage en metteur communB-E directC-B inverseTransistor NPN en rgion active ou linaireSe comporte comme unAMPLIFICATEURPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-30Montage en metteur communNous avons aussi les relations suivantes quil estintressant de connatrePr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-31VALEURS LIMITES ICmax: Courant collecteur maximum PCmax: Puissance maximale VCEmax: Tension C-E maximaleIC maxPC max

PC maxNous sommes maintenant prts polariser le transistor pour lutilisercomme amplificateurPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectroniquePOLARISATION FIXEBoucle 1Boucle 2Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique cest la forme depolarisation la moins bonne ICdpend directement de|CCqui peut varier avec latemprature. Si ICaugmente avec latemprature, le point Q sedplace vers la zone desaturation.Polarisation fixePr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectroniquePOLARISATION FIXEExemple 4.7Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectroniqueMODE SATURATIONEn saturation, VCEsat 0On peut donc fairelapproximation :Pour tre en modeSATURATION il fautavoir ICsattel que :Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectroniqueDROITE DE CHARGEOn peut varier la position du point Q en variant : RB(IB), RC(IC) et VCC

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Diminution de RBPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-37DROITE DE CHARGEAugmentation de RC

Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-38POLARISATION RACTION DMETTEUR On augmente lastabilit puisque REtend limiter lesvariations de ICduesaux variations de | etde VBE. En effet, si ICaugmente, alors IEetVEaugmentent, ce quicontribue diminuer IB.Figure 4.17 Polarisation dun transistorbipolaire avec raction dmetteurPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-39POLARISATION RACTION DMETTEURFigure 4.17 Polarisation dun transistorbipolaire avec raction dmetteurBoucle 1 B-EREdans lmetteur est reflte commeune rsistance Ridans la base. La valeurde Riest :Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-40POLARISATION RACTION DMETTEURREdans lmetteur est reflte comme unersistance Ridans la base. La valeur de Riest :Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-41POLARISATION RACTION DMETTEURSi on assume que IE IC, alors onaura V

CEtel que :Montrez que si on utilise lquationIE= IB+ IC, alors on aura la valeurexacte de VCEsoit :((+||.|\| + =C E C CC CER R I V V|| 1Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-42Exemple 4.4Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-43Exemple 4.5Regardons la variation de VCElorsque le gain | varie de 100 % ( 50 100)lorsquon a une polarisation fixe ( Ex. 4.1 ) vs une polarisation ractiondmetteur ( Ex. 4.4 ).Lequel des 2 circuits de polarisation est meilleur ou plus stable ?Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-44DROITE DE CHARGEPour lexemple 4.4, IB= 40 uA et IC= 2,01 mA.Dans quelle rgion de fonctionnement se trouvele point Q ?VC= 15,98 V, VB= 2.71 V et VE= 2,01 VAlors V

BC= -13,27 V et VBE= 0,7VQ dans la rgion linaire ou amplificationPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-45DROITE DE CHARGEModifiez RBpour que le transistor soit dans largion de saturation. Les autres paramtres sontconstants.RE= 1KO, RC= 2 KO et | = 50Lorsque le transistor est satur, on aRp: RB= 93.7 KOPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-46POLARISATION DIVISEUR RSISTIF On veut liminer linfluence desvariations de | en fixant IE( ou IC)plutt que IB. Le diviseur fixe la tension VEet IBsajustera en fonction desvariations de | et de VBEpourmaintenir ICconstant. Le circuit depolarisation fonctionne commeune source de courant.Figure 4.17 Polarisation dun transistorbipolaire avec diviseur rsistifPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-47POLARISATION DIVISEUR RSISTIF (exact) La mthode exacte ncessite deproduire le circuit quivalentThvenin vu de la base et de lersoudre pour trouver IB.Polarisation avec diviseur rsistif(mthode exacte)Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-48

POLARISATIONDIVISEUR RSISTIF (exacte)Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-49POLARISATIONDIVISEUR RSISTIF (exacte)Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-50Exemple 4.7 ( exacte )Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-51POLARISATIONDIVISEUR RSISTIF La mthode approximative ngligela valeur du courant IBpar rapportau courant qui circule dans R2. Pour utiliser la mthodeapproximative, il faut que la relationsuivante soit satisfaite :Figure 4.17 Polarisation avec diviseurrsistif ( mthode approximative )RTh= R1// R210RThPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-53Exemple 4.8 ( approx. )Le reste de la solution se fait commepour lexemple 4.7. Avec cette mthode,on note que lon ne tient pas compte deIBet de |. Le point Q est doncindpendant de la valeur de |Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-54Exemple 4.9 ( approx. )Lorsque la mthodeapproximative sapplique, ladpendance de VCEQou de I

CQpar rapport aux variations de |est ngligeable. Refairelexemple 4.7 en assumant | =70 au lieu de 140Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectroniqueExemple 4.10 (exacte )Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectroniqueExemple 4.10 (approx. )Comparaison des 2 mthodesMme lorsque Ri/R2 3 au lieu de10, le rsultat est acceptableRiR1R2Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectroniqueModlisation des TRLa modlisation du TR=trouver un schma lectrique quivalentservir aux calculs thoriques.Thorie des quadriples:vBE vCEiCiBQ

4-554-56

4-57qui peut

Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectronique 4-58Modlisation du TR en dynamique & en rgime de petits signauxib1/h22h11h21ibh12vce vcevbeicvbe

vceibic=+ =+ =ce 22 b 21 cce 12 b 11 bev h i h iv h i h vRq: Notons quil existe dautre modles plus complexesDiode: Polarisation directe :a- Basse frquence :si on se trouve sur la partie conduction de la diode, ceci estdfinie par le point de fonctionnement en mode statique, lepoint de fonctionnement dynamique dcrit un segment dedroite, c'est le parcours dynamique. La diode est donc de cepoint de vue un lment linaire quivalent une rsistance. Lecalcul de la valeur de rdpeut donc ce faire de manireidentique au modle source de tension relle, on obtient lavaleurRappel sur les diodesCourant de saturation de la diodeJonction=condensateur plan d'paisseur wT, d'aire A et de constante dilectrique o wT, A t rprsntnt.La capacit d transition st alors :Capacit d transitionConsidrons un jonction polaris n invrs par untnsion appliqu la zon d transition st alors T= - V .Capacit d transition d lajonction polaris n invrson n tir finalmnt:avctCT0=20pVariations d capacit d diods varicapCT0=2pCT0=10pCapacit d diffusion ou d stockag

avctnsion V < 0. La

Enpolarisation dirct ds chargs (lctrons ou trous) sont injcts dans lsrgions quasi-nutrs d la diod. Cs chargs diffusnt jusqu'aux contactsohmiqus constituant ainsi un charg stock dans la zon nutr. Rprnons larpartition ds trous minoritairs dans la zon N pour un jonction P+N t modifionslgrmnt la tnsion d polarisation V d'un quantit dV. Il n rsult unaugmntation dpN(0)d la dnsit d trous injcts au nivau d la jonction. Lacharg stock dans la rgion N subit alors un augmntation d dQs. (zonhachur d la figur).En rsum la jonction PN prsnt dux typs d capacits suivant qu'll stpolaris n invrs ou n dirct: un capacit d transition n invrs. un capacit d diffusion n dirct.Ell prsntra donc un comportmnt fortmnt non linair t l'tudanalytiqu n pourra s fair qu'au moyn d'approximations linairs parmorcaux.b- Haut frqunc :En H, il st possibl d mttr n uvr unmodl sous la form d'un rdt d'un Cd. Larsistanc rdst dtrmin d la mm manir quprcdmmnt.La Cdst li au tmps d transit moyn ds portursminoritairs dans la zon d charg d'spac. Pour dtrminrson xprssion il faut connatr la valur d la charg Qngndr par ls porturs minoritair dans ls 2 zons c--dds 2 cots d la jonction.Un xprssion simpl d la capacit d transit st:Si on fait abstraction ds capacits parasits, il st intrssant d comparr ls 2schmas.Pratiqumnt cla signifi qu'il xist un tmps dcommutation t ntr l passag ON t O d la diod tpar voi d consqunc un dphasag ntr l courant tla tnsion l'intriur d cll-ci.C tmps d commutation st d l'ordr d 10ns 10s.Si on suprpos au rgim statiqu un rgim sinusodal, latnsion aux borns d la diod stPolarisation invrs n rgim d ptits signaux :Dans c modl on considrra la diod simplmnt comm un condnsatur Ct(capacit d transition). Physiqumnt n polarisation invrs il xistun zon

d

charg d'spac, cll-ci s comport comm un isolant puisqu ilstimpossibl d fair passr l moindr lctron ntr ls zons N t P. La valurd Ctst dfini comm la variation d la charg caus par la variation dlatnsion invrs C0st la valur d la capacit Ct Vi= 0. valur d la barrir d potntil compris ntr 0,4 t 1V. k vaut 1/2 pour un jonction abrupt t 1/3 pour un jonction linair.Ls capacits d jonctionSi la jonction st polaris n sns dirct : CD(Capacit d diffusion).Si la jonction st polaris n sns invrs: CT(Capacit associ la chargdespace).Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l'lectronique 4-73 Modle dynamique hautes frquences et faible signaux Aux frquences leves on ne peut pas ngliger les capacits internes des jonctions EB etBC. En mode actif : la jonction EB introduit une capacit de diffusion Cd(Cbe) la jonction BC introduit une capacit de transition Ct(Cbc)Schma quivalent dynamique hautes frquences: Schma de Giacoletto Ces capacits influencent le fonctionnement du transistor aux frquences leves et sontresponsable dune bande passante limite des amplificateurs transistor bipolaire .| iRbb: rsistance de volume de la base, le point B se trouvant la jonctionBase-Emetteur (~ centaine d ohm)(B=point inaccessible);Cb e: capacit dynamique (ou de diffusion) de la jonction Base-Emetteur;elle est de l ordre de la centaine de pF ;Cb c: capacit de transition base-collecteur due la charge d espacede la polarisation inverse de la jonction ; elle est de l ordre du pF (~

10 pF)(valeur souvent trs infrieure Cb e) ;Rb c: rsistance de transition base-collecteur de l ordre du qqM(traduit les variations de dvcesur dib).Quelle est la signification des nouveaux lments de ce schma ?Exemple: T=250C pour IC=1mARbb=100 Rbc=4 MRbe=2600 Cbc=3 pFCb e=40 pFRce=80 K|= gmRbe= 100gm = 40 mA/VExemple numrique:Ic=1,3 mA la temprature ambiante. On a:V mA gm/,50263 1= =Remarque:ibcourant dans rbe(Source de courant lie gmvbe

peut se mettre sous la forme |ib:= == =TCe bme be bb e b mVIrgrVi V g|| |(Transconductance)Relation entre les 2 montagesBasse Frequence:Coupe dun transistor NPNPr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-77Remarque Facile de mesurer les para hybride ou admittance enfonction de f, que de dterminer le schma naturel, Caractristiques : constructeur (courbes), variationde paramtre hyb |h| ou |Y| en fonction de f pour unpoint de polarisation donn, partir de ces courbes les paramtres du schmanaturel peuvent tre calculer.Pr. B. ABBOUD Parcours EEA : Introduction l lectronique 4-78Relation entre les para du schma HF et les para hybrides ou (admittance)==

=cecec bc be be brgrgrg111avecCalculs: on tient compte des ordres de grandeurs des diffrents lments, soite b bc e b ce bcc c et g g g