Les transistors bipolaires

Les transistors appartiennent à deux grandes familles ayant chacune leurs avantages et leur inconvénients. Il s’agit de la famille des transistors de type bipolaire, qui sont les plus anciens et encore les plus répandus, et la famille des transistors de type unipolaire ou à effet de champ.

Les transistors bipolaires

Constitution

Le transistor est un élément électronique constitué à partir d’un cristal de silicium de façon à créer trois zones de conductibilité. On peut trouver des transistors ayant deux zones P et une zone N (PNP) ou des transistors ayant deux zones N et une zone P(NPN).Je peux donc déduire en regard au illustration ci-dessus que le transistor est constitué de deux jonctions PN ayant des sens passants opposés. La zone centrale appelée « base », est comprise entre les deux jonctions. La zone « base » est mince et moins dopée que les deux autres. Les deux autres porteront le nom de « collecteur » et « d’émetteur ». La zone émetteur sera la plus dopée en regard à la zone collecteur. Noter que nous avons des conductibilités asymétriques, ce qui interdit l’interchangeabilité des électrodes.

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement va nous permettre de découvrir ce que l’on appelle la commutation ou encore le passage de l’état bloqué à l’état passant. Afin de permettre la conduction d’un transistor, plusieurs conditions devront être vérifiées. On appelle fonctionnement normal d’un transistor bipolaire celui pour lequel
• La jonction EB (émetteur – base) est polarisée en sens direct.
• La jonction CB (collecteur – base) est polarisé en sens inverse.
Nous analyserons le fonctionnement pour un transistor NPN polarisé comme l’illustre le schéma suivant. Noter que l’on a représenté sur le dessin ci-dessus deux diodes qui pourraient symboliser le transistor celles-ci ayant un fonctionnement connu. Lorsque la base est mise sous tension, la jonction EB est polarisée en direct et la barrière de potentiel est abaissée (voir la diode en sens passant). La traversée de cette jonction par les porteurs majoritaires (les électrons) est favorisée. Les électrons majoritaires de E (émetteur) diffusent à travers la jonction EB polarisée en sens direct. La borne négative de la source de tension peut, dès ce moment, injecter des électrons dans l’émetteur. Ceux-ci peuvent facilement traverser la barrière de potentiel de la jonction EB et arriver dans la zone de base. Je peux donc dire que bon nombre d’électrons traverseront la jonction EB et se retrouveront dans la zone P (base) ou ils devraient se combiner avec les trous de cette zone. En réalité il n’en est rien, grâce à l’énergie et à la vitesse acquise par les électrons, jumelé à la faible épaisseur de cette zone P la plupart des électrons vont se retrouver au droit de la jonction BC. Dans leur trajet en zone B, nous pouvons encore dire que quelques électrons vont se recombiner avec les trous majoritaires de cette zone et donner ainsi le courant de base. Je peux donc conclure qu’une partie minime des électrons de l’émetteur seront attirés par la polarisation positive de la base du transistor. La jonction CB est polarisée en inverse et est donc le siège d’un champ ED intense dirigé de C vers B. Les électrons qui vont donc venir à proximité de la zone de transition BC vont donc être repoussés dans la zone B. Partant sur le principe que durant leur traversé dans les zones E et B, certains électrons parviennent à emmagasiner suffisamment d’énergie que pour franchir cette barrière électrostatique, ils vont alors se retrouver dans la zone de transition, et modifier de par leur capture par l’un ou l’autre ion positif la valeur de la différence de potentiel de cette jonction avant de se retrouver dans la zone C. Comme le champ électrostatique est lié à cette différence de potentiel, je peux déduire que le champ aussi va diminuer. Si ce dernier diminue, je peux supposer qu’un électron ayant un petit peu moins d’énergie va à ce moment parvenir lui aussi à pénétrer dans la zone de transition et à son tour affaiblir cette dernière. On peut donc raisonnablement dire que de proche en proche, nous allons avoir ce que l’on appelle un effet d’avalanche qui aura pour effet d’effondrer la barrière de potentiel de la jonction BC et de rendre celle-ci passante. Les électrons en arrivant dans la zone C seront captés par la borne positive de la source de tension. Dès ce moment, le courant va circuler librement dans le semi conducteur du collecteur vers l’émetteur On peut donc considérer que ce sont les électrons provenant de UB qui lors de leur passage dans l’émetteur, entraînent les électrons libres de ce dernier et les amènent jusqu’au collecteur. L’émetteur fait alors appel à la borne négative de UC pour compenser ces électrons qui constituent, en réalité, le courant de collecteur.
Illustrons le déplacement des électrons et du courant.
Je peux écrire que IE=IB + IC.

L’effet transistor

Du fonctionnement ci-dessus je peux tirer que le courant sera plus faible au niveau de la base qu’au niveau du collecteur. Nous appelons ce phénomène « l’effet transistor ». Nous savons que la recombinaison des électrons dans la base est l’image du courant de base et que ce dernier est fonction des caractéristiques propres du transistor. Je peux donc dire que ce courant est constant dans une situation donnée. Dès lors je peux dire que le rapport IB/IE est aussi une constante et également de rapport IB/IC. Nous appellerons le rapport inverse IC/IB le gain en courant ou l’amplification statique. .Cette relation nous dit qu’en injectant un courant IB très faible dans la base, on peut « commander» un courant de collecteur IC beaucoup plus intense.

Les caractéristiques statiques

Soit les grandeurs caractéristiques suivantes :
• Le courant de base IB
• Le courant de collecteur IC
• La tension base-émetteur VBE
• La tension collecteur-émetteur VCE