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Electronique 1

Composants a semi conducteurs : Transistor bipolaire

1 Structure d’un transistor bipolaire

– Constitue de 2 Jonctions PN– 2 types de transistors : PNP et NPN– Base : peu dopee, tres mince, quelques µm

– Emetteur : Fortement dope– Collecteur

Transistor NPN :

Transistor PNP :

B : BaseE : EmetteurC : Collecteur

Electronique 1 - Chap 7: Transistor bipolaire – TELECOM 1A (skulk) Page /

2 Fonctionnement du transistor, cas du NPN

Plusieurs cas en fonction de l’etat des Jonctions : JBE , JBC

2.1 JBE, polarise en direct

Releves caracteristiques :

JBC est en inverse

JBE en direct ⇒ IB = ISB(eVbeUT − 1) ≈ ISBe

VbeUT

Comme le collecteur est fortement dope, les electrons ont tendance a traverser vers la Base et traversent laBase.

⇒ Un courant IC apparaıt IC = ISC(eVbeUT − 1) ≈ ISCe

VbeUT

⇒ L’effet transistor :IC

IB=

ISCeVbeUT

ISBeVbeUT

=ISC

ISB

= β

On choisit β >> 1 ⇒ IC qui est un courant commande par IB

On diminue EC jusqu’a avoir JBC polarise en directe

⇒ VCE est faible

⇒ IC

IB< β ⇒ Le transistor est sature

2.2 JBE polarise en inverse

Les deux Jonctions sont bloquees ⇒ IB = 0 et IC = 0

Le transistor est bloque.


2.3 Caracteristiques

zone de conduction

bloqué

VBE

IB

IB 2

IC

IC 2

VCE

IC 1

= IB 1

IC 2

= IB 2

zone de saturation

Equations caracteristiques du transistor ideal :

I

IVCE

C

B

En conduction : IC = βIB

JBE : Jonction en directe :IB = ISG(e

VbeUT − 1)

I C

I E

I B

⇒ IE = IC + IB

IE = (β + 1)IB

Remarque

Comme β >> 1 on peut faire l’approximation IE ≈ IC


Si VCE est faible ⇒ tension de saturation VCE < VCESAT ⇒ saturation ⇒ IC < βIB

Transistor bloque :IC = 0

I CC E

En pratique, IC croıt avec VCE :

VCE

I C

VCE SAT

Pente de β presque constante :

I C

I B

On peut tracer la droite de charge

R c

E c

I c

VCE + RCIC = EC ⇒ IC =EC − VCE

RC(droite de charge)

Dans la zone lineaire : IC 6= βIB

⇒ on a IC = βIB +VCE

ρρ : pente de la courbe IC(VCE) en zone lineaire.


Que vaut la valeur de cette pente ρ ?

Dans le plan IC(VCB(= VCE − VBE)), les droites se rejoignent a −VA

VA : tension de EARLY

2.4 Conclusion

Le courant de sortie est commande par un courant. Le courant de sortie IC depend peu de la tension desortie VCE .

Vue de l’entree (Vbe, IB), c’est une diode

3 zones : Bloque, lineaire (zone active), sature

En pratique, 20 < β < 2000 : Il y a une tres forte dispersion du β

3 Cas du transistor PNP

C’est la meme chose en valeur absolue.


Caracteristiques :

IC = βIB

IB = −IBS(e−VbEUT − 1)

IC = βIB +VCE

ρ

4 Parametres sensibles aux variations de temperature

Pour une jonction polarisee en direct, on a toujours∆VBE

∆θ≈ −2, 2mV/ C

⇒ β augmente avec la temperature

5 Applications du transistor

Le transistor peut fonctionner en interrupteur commande

Transistor en commutation :

Releves :


On utilise les zones de saturation et de blocage.

E

VV

R B

e

s

si Ve = 0 ⇒ Vbe = 0⇒ IB = 0 et IC = 0

=EVs

=EVs

Pour que le transistor soit sature,

I b

I c

E

E/RC

On veut IC < βIB avec ICmax =E

R⇒ IB >

E

RCβ

E

R c

⇒ IB ⇒ choix de RB

Avec IB =Ve − VBE

RB⇒ RB =

Ve − 0, 7E

RCβ

On remarque que :

Vc Vs

0 EE ≈ 0

C’est un inverseur


RemarqueTransistor a collecteur ouvert :

Q

VCC

: Niveau 1

6 Exercice

1ere Application : Realisation de fonctions logiques

E

VCC

1 E2

S

E1 E2 S0 0 Vcc

0 Vcc ≈ 0Vcc 0 ≈ 0Vcc Vcc ≈ 0

NOR logique

En dynamique, il y a un temps ton

ton = tdelay (mise en conduction de la jonction et de l’etablissement de IC

Sur le front descendant on a :tstockage + tretard

⇒ limitation en frequence.

2eme Application : l’amplification en classe A

Classe A = polarisation du composant dans la zone active (zone lineaire)

6.1 But de l’amplification

Obtenir un signal d’amplitude superieure a celle d’entree


6.2 Principe de l’amplification

VCE1 = VCE0 −∆VC

VBE1 = VBE0 + ∆VB

Il y a amplification si ∆VC > ∆VB

On a une amplification + une inversion car ∆VCE decroıt lorsque ∆Vbe croıt.

Il faut avoir des faibles amplitudes pour que ib reste une fonction lineaire de vbe et que le transistor restedans sa zone active

6.3 Determination du modele petits signaux

On cherche un modele valable uniquement pour les variations

i

iv CE

C

B

v BE

Vce = Vce0 + vce IC = Ic0 + ic Vbe = Vbe0 + vbe Ib = Ib0 + ib

Vbe0, Ib0, Vce0, Ic0 : polarisation vce, ic, vbe, (i)b : variation


Modele vu de l’entree :

L’entree est une jonction PN

IB = IBseVbeUT

On cherche∂IB

∂Vbe

∣∣∣∣P0

=IBS

UTe

VbeUT

⇒ ib =∂Ib

∂Vb

∣∣∣∣P0

vbe =IBS

UTe

VbeUT

∣∣∣∣P0

vbe =Ib0

UTvbe

ib =βIb0

βUTvbe

⇒ vbe

ib=

βUT

Ic0

avec UT ≈ 26mV

On fait l’approximation que ibrb depend de la polarisation (Ic0)

vbe

ib=

β

40Ic0

D’ou :

v ber b

Vue de la sortie :

VC

I C

I C

VC 0

0

Ic = βIb +VCE

ρ

ic =∂Ic

∂Ib

∣∣∣∣P0

ib +∂Ic

∂VCE

∣∣∣∣P0

vCE

On a

∂Ic

∂Ib= β

∂Ic

∂VCE=

1ρ

ic = βib +vCE

ρ

⇒ Le schema equivalent devient :

i~

brb v~

cev~

be

i~

b i~

c

Valable en petites variations autour du point de fonctionnement polarise dans la zone lineaire

Les pentes sont dues a la tension de EARLY


-V A VCB

I C

I C

VCB0

0

Ic = pente de VCB avec VCB = VCE + VEB

⇒ ∆VCB = ∆VCE −∆VBE

∆VBE est negligeable.⇒ calcul de la pente

∆Ic

∆VCB=

∆IC

∆VCE=

IC0

VA + VCB0

D’ou :1ρ

=IC0

VA + VCB0

TR de signal

rb ≈ quelques kΩrCE ≈ quelques 10kΩβ ≈ 100 a 1000

Autres notations :

Matrice hybride

vbe = rbib + 0vCE

ic = βib +1ρvCE

vbe = h11

0vCE = h12

βib = h21

1ρvCE = h22

6.4 Exemple d’application

Montage emetteur commun :

Role des composants

Cls, Cle : Condensateurs de liaison (separent les composantes continues)Rb1, Rb2 : Polarisent la baseRc : Polarise le collecteurRL : Charge


1. Schema de polarisation

Equivaut a :

E0,7V

R b1 R b2

R b1 +R b2

E Rb2

R b1 +R b2

Pour bien polariser le transistor on veut Vbe0 ≈ 0, 7V

On a sur la sortie

VCE = E −RCIC0

⇒ IC0 =E − VCE

Rc

C’est l’equation de la droite de charge.

courbe du I b 0

I c

I c 0

VCEVCE 0

⇒ IC0 = βIb0 ⇒ choix de Rb1 , Rb2 , E et RC

2. Etude dynamique (petits signaux)

Le schema petits signaux traduit le fonctionnement du point de vue des variations. (Cle et Cls negligeablesaux frequences de travail)

I brbv~

e

i~

b

2rb 1

B

rb rCE rC rL

i~

c

VS =V CE

R

C ls

Equivaut a :

I b VSR


On cherche le gain du montage.

ib =ve

rb; vS = −βibR

Alors vS = −βveR

rb⇒

vS

ve= −βR

rb

C’est un amplificateur inverseur

Le gain depend de :– β : du transistor– RL : la charge– Rc : composant– de la polarisation (rb, rCE)

En general rCE > RC ou RL

On peut avoir des gains en tension tres eleves (100 a 1000)

β : fortes dispersions

⇒ Le gain depend d’un parametre que l’on maıtrise mal.

3. Representation des signaux

On ne peut pas amplifier un signal continu.Du point de vue de la sortie du transistor on a :

I b rC rLv CE

i c

~rCE

R’

~

iC = − vCE

R′avec R′ =

RLRC

RL + RC


Limitation du fonctionnement :

Signaux :

Inconvenients :

– Gain dependant de la polarisation– Gain depend de β

Remarque

Meme sans signal le transistor consomme une puissance ⇒ pertes.

7 Influence de la temperature

Montage emetteur commun :


Evolution avec la temperature :

Lorsque la temperature augmente, β augmente ⇒ IC augmente ⇒ VB −REIC = VBE diminue.

Le transistor est constitue de jonctions

⇒ JBE polarise en direct (VBE ≈ 0, 7V )

∆VBE

∆θ= −2, 2mV. C−1; β avec la temperature.

β25 C ≈ 50β

175 C≈ 100

⇒ consequences sur l’amplification.

⇒ variation du point de fonctionnement.

8 Stabilisation du point de fonctionnement

8.1 On ajoute une resistance d’emetteur

La resistance d’emetteur stabilise en diminuant le VBE

8.2 Calcul du gain en dynamique

Montage avec condensateur de decouplage :

v b~

rb 2rb 1 rbe

I b rC

rE

i b

~

v s~

vs = −βibRc

vb = rbeib + RE(β + 1)ib


Alors :vs

vb= − βRc

rbe + (β + 1)RE

Sans resistance RE on aurait :vs

vb= −βRc

rbe

– Le gain est plus faible si β est grand ⇒ (β + 1)RE ≈ βRE > rbe

vs

ve≈ −Rc

Re

Ne depend pas du transistor mais uniquement des resistances.

– CE court-circuite RE en HF.En continu RE existe ⇒ stabilisation du point de fonctionnement.

– Pour∣∣∣∣

1jCEω

∣∣∣∣ ¿ RE ⇒ RE court-circuite ⇒ fort gain.

Pour faire l’etude en frequence, on tient compte de CE dans les schema petits signaux.

RE → RE//CERE → RE

1 + RECEp

vs

vb= − βRc

rbe+

(β+1)RE1+RECEp

= − βRc(1 + RECEp)(β + 1)RE + rbe(1 + RECEp)

vs

vb≈ − βRC(1 + RECEp)

(βRE + rbe)(1 + RECErbepβRE+rbe

)

Contribution du condensateur Cle de liaison :

Contribution du condensateur CE de decouplage :

RE non decouple :RE decouple :


Diagramme complet :

re est l’impedance d’entree du montage.

Montage a emetteur commun :

Proprietes :

– Fort gain en tension (depend de Ic0)– Fort gain en courant– Resistance d’entree de l’ordre du kΩ– Resistance de sortie importante (depend de RC)

Montage a base commune :


Proprietes :

– Faible resistance d’entree (≈ 10Ω)– Forte impedance de sortie (depend de RC)– Fort gain en tension

– Gain en courant < 1 (depend deRC

RL)

Montage collecteur commun :

Proprietes :

– Forte resistance d’entree (> 100kΩ)– Faible resistance de sortie (depend de IC0)– Gain en tension ≈ 1– Gain en courant important

E en Haute Frequence ?

Schema de Giacoletto :

Origine des composants :

– r′b : resistance du S.C. (≈ 100Ω)– r′be : resistance dynamique– C ′be : du a la charge stockee (≈ 100pF )– C ′bc : du a la jonction en inverse (≈ 3pF )

– r′bc : traduit les variations dedvce

dib(> 3MΩ)


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