LE TRANSISTOR BIPOLAIRE

I. Utilité des transistors

Inventé dans les années 50, le transistor est un composant à semi-conducteur qui remplit deux fonctions vitales en électronique: celles d'amplificateur (c'est un générateur de fort courant en sortie commandé par un faible courant en entrée) et de commutateur (à la manière d'un interrupteur marche/arrêt).

Certains transistors sont spécialisés dans l'une ou l'autre de ces fonctions, d'autres sont aptes à les remplir toutes deux (désignés "general purpose" en anglais).

Il existe en outre plusieurs familles technologiques de transistors; nous en reparlerons plus loin.

Précision importante: en dépit de son apparente "simplicité", le transistor demeure un composant assez complexe, aussi bien sur le plan théorique que pour sa mise en oeuvre. Nous nous bornerons ici à décrire son fonctionnement et ses principaux paramètres de manière très succinte.

II. Constitution et principe de fonctionnement d'un transistor à jonction

Un transistor à jonction bipolaire est un composant à semi-conducteur constitué de 2 jonctions P-N, très proches l'une de l'autre. Une diode ordinaire étant elle-même constituée d'une unique jonction P-N, on pourrait dire qu'un transistor contient 2 diodes.

Un transistor est formé de 3 zones (N-P-N ou P-N-P selon son type), tel qu'illustré sur le dessin ci-dessous. Chaque "zone" est reliée à une électrode: base (B), émetteur (E), collecteur (C). La base, on le constate, est très mince: son épaisseur est de l'ordre de quelques microns seulement.

D'une manière très schématique, on pourrait dire qu'une jonction P-N fonctionne comme suit: si elle n'est soumise à aucune tension extérieure, les électrons (charges négatives) sont majoritaires dans la zone N, les "trous" (charges positives) sont majoritaires dans la zone P et entre les deux, on trouve une zone "neutre", désertée. Appliquons maintenant une tension inverse à cette jonction: on augmente le champ électrique de la zone centrale, ce qui a pour effet de repousser encore plus loin les électrons de la zone N et les "trous" de la zone P. Conséquence: la zone "neutre" s'élargit, la diode est bloquée, ou non passante.

Si maintenant on inverse la polarité de la tension aux bornes de la jonction, c'est-à-dire si on lui applique une tension directe, supérieure à 0,7 V environ, on annule le champ électrique de la zone centrale ("neutre"), ce qui provoque le déplacement des charges négatives de la zone N vers les "trous" de la zone P: il y a donc circulation d'un courant électrique, la diode devient passante.

III. Effet transistor et gain en courant

Revenons au transistor et considérons le petit montage représenté sur le dessin ci-dessous.

La jonction E-B est polarisée dans le sens passant, mais la jonction B-C, polarisée en inverse, est bloquée. Il circule donc un courant de E à B, appelons-le Ib. La base, on s'en souvient, est une zone très étroite et les électrons qui arrivent de l'émetteur vont certes se combiner avec les "trous" (peu nombreux) de la base, mais ils seront en majorité fortement attirés vers la zone du collecteur par le champ électrique créé par la polarisation inverse de la jonction B-C: il en résulte, sous l'effet d'avalanche, un important courant de collecteur, Ic. C'est ce qu'on appelle l'effet transistor.

Le courant de collecteur Ic est proportionnel au courant de base Ib, le facteur ß (béta) étant le gain en courant. Cette relation est fondamentale:

I c = ß I b

Pour donner un ordre de grandeur, le gain en courant peut varier de 10 à 500, voire 1000, selon le modèle de transistor.

Quand la tension collecteur-émetteur VCE diminue pour devenir très faible, la jonction B-C cesse d'être polarisée en inverse, et l'effet transistor décroît alors très rapidement. A la limite, la jonction B-C devient aussi polarisée en direct: on n'a plus un transistor, mais l'équivalent de deux diodes en parallèle. On dit que le transistor est saturé.

Une analogie hydraulique est proposée ci-contre: un courant Ib assez faible permet l'ouverture du robinet, ce qui provoque l'écoulement d'un fort courant Ic en provenance du réservoir "collecteur". Notez que lorsque le robinet est complètement ouvert, le courant Ic est maximal: il existe donc (on s'en doutait!) une limite physique au gain en courant.

IV. Transistors PNP et NPN

Il existe deux manières de disposer les jonctions P-N pour fabriquer un transistor:

• une zone N, une zone P et une zone N: on a alors un transistor NPN (c'est le modèle le plus répandu);

• une zone P, une zone N et une zone P: on a dans ce cas un transistor PNP.

Dans un transistor NPN, les courants de base Ib et de collecteur Ic sont rentrants, et le courant d'émetteur Ie est sortant. Dans un transistor PNP, les courants de base Ib et de collecteur Ic sont sortants, et le courant d'émetteur Ie est rentrant.

V. Caractéristiques des transistors bipolaires

Considérons le montage ci-dessous, appelé en "émetteur commun", car la patte commune est l'émetteur du transistor PNP. L'entrée du montage est la base et la sortie le collecteur.

Dans ce montage, la base est polarisée par la résistance désignée Rb. Le potentiel de la base est d'environ 0,7 V, car l'émetteur est à la masse et la jonction base-émetteur équivaut à une diode passante.

Le collecteur est polarisé par la résistance désignée Rc, de telle manière que la tension du collecteur soit supérieure à la tension de la base (VCE > VBE): la jonction base-collecteur est alors polarisée en inverse.

L'entrée est caractérisée par les deux grandeurs IB et VBE, et la sortie par les grandeurs IC et VCE, soit 4 variables.

Caractéristiques d'entrée (à gauche) et de transfert (à droite) du transistor.

La figure ci-dessus montre les caractéristiques d'entrée et de transfert du transistor.

La caractéristique d'entrée du transistor correspond à la relation IB = f (VBE), VCE étant constante. Cette caractéristique, on le constate, ressemble beaucoup, et pour cause, à celle d'une diode: en effet, la jonction base-émetteur du transistor équivaut à une jonction de diode.

La caractéristique de transfert est définie par la relation IC = f (IB), VCE étant constante. La caractéristique de transfert est une droite; on se souvient, nous l'avons vu plus haut, que le courant de collecteur Ic est proportionnel au courant de base Ib, le facteur ß (béta) étant appelé gain en courant. On peut donc dire que le transistor se comporte comme un générateur de courant commandé (ou "piloté") par un courant.

On notera que l'origine de la droite ne passe pas par 0, mais par une valeur notée ICEO, qui correspond au courant de fuite (leakage current, en anglais), courant circulant dans le collecteur. Cette valeur étant généralement très faible, on pourra le plus souvent la négliger.

VI. Principaux paramètres des transistors bipolaires

Le néophyte sera sans doute effrayé par le nombre de paramètres d'apparence plus ou moins ésotérique figurant sur la fiche technique complète (data sheet) d'un transistor quelconque... En réalité, tous les paramètres ne présentent pas le même intérêt. Bien souvent, dans la pratique, le choix d'un modèle de transistor ne dépendra que de quelques paramètres.

VCEMax Tension collecteur-émetteur maxi, ou tension de claquage. Au delà de cette tension, le courant de collecteur IC croît très rapidement s'il n'est pas limité à l'extérieur du transistor.

ICMax Courant de collecteur maxi. A partir de cette valeur, le gain en courant va fortement chuter et le transistor risque d'être détruit.

hFE

(ß) Gain en courant (paramètre essentiel en amplification).

PTotMax Puissance maxi que le transistor pourra dissiper, donnée par la formule: VCE x Ic. Attention, un transistor, ça chauffe!

VCESat Tension de saturation (utile en commutation).

A titre d'exemple, voici ce qu'on peut trouver dans un catalogue de fabricant:

Type number Package VCE max

(V)

IC max

(mA)

PTOT

(mW)

hFE min hFE max fT

(MHz)

2N3904 TO-92 40 200 500 100 300 300

2N3906 TO-92 40 200 500 100 300 250

BC337 TO-92 45 500 625 100 600 100

BC547 TO-92 45 100 500 110 800 100

BD135 TO-126 45 1500 8000 40 > 40 60

"Package" signifie "boîtier": il existe de nombreuses formes de boîtier, qui sont codifiées. En voici quelques exemples:

On notera en particulier, dans le tableau ci-dessus, que le modèle référencé BD135, supporte un courant de collecteur très important et dissipe jusqu'à 8 watts; en revanche, son gain en courant est limité. Il s'agit d'un transistor dit "de puissance".