17 juin 1948
Cette date est celle du brevet du premier
transistor (TRANSfer resISTOR) à pointes déposé
par J. BARDEEN et W.H. BRATTAIN de la société américaine
Bell Telephone. En 1949 c'était le tour du transistor
à jonction imaginé par W. SHOCKLEY et réalisé
fin 1951. En 1954 plus d'un million de transistors avait déjà
été produits.
Structure d'un transistor à
jonction
Le transistor
bipolaire (ainsi nommé pour le diférencier du transistor
à effet de champ) est formé de deux jonctions PN en série, tête-bêche,
comme sur la figure ci contre. L'ordre peut être PNP (en
haut) ou NPN (en bas). Les deux jonctions sont réalisées
sur un même monocristal intégré dans un boîtier
muni de 3 connexions reliées à chacune des 3 zones
P, N et P ou N, P et P.
Les 3 connexions sont appelées
:
- E : émetteur
- B : Base
- C : collecteur
La comparaison avec les deux diodes représentées
au-dessus de chacun des deux dessins s'arrête là
car un point très important n'est pas mis en évidence
sur les dessins : la distance entre les deux jonctions, autrement
dit l'épaisseur de la zone dopée correspondant
à la base, est extrémement mince : quelques microns
(millièmes de mm).
Le monocristal est dans la grande majorité
des cas du silicium et la plupart des transistors sont des NPN.
La différence entre émetteur et collecteur est
dû au dopage plus élevé pour la zone correspondant
à l'émetteur. |
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Fonctionnement du transistor bipolaire
Le fonctionnement du
transistor en tant qu'élément amplificateur est
basé sur l'effet transistor. En voici sommairement
le principe.
La même démonstration s'applique au transistor PNP,
il suffit alors d'inverser la polarité des sources de
tensions continues.
1 - Le transistor non polarisé
Dans les 3 zones N, P et N les porteurs
majoritaires sont régulièrement disséminés
: électrons pour les deux zones N, trous dans la zone
correspondant à la base. Pratiquement aucun porteur de
charge ne peut traverser les jonctions
PN.
Les trois électrodes sont :
E : émetteur, relié normalement au - de l'alimentation
B : base, l'électrode de commande
C : collecteur; relié normalement au + de l'alimentation |
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2 - Application de la tension
d'alimentation
Une tension d'une dizaine de volts (pratiquement
entre 3 et 20 volts) est appliquée entre le collecteur
et l'émetteur. Pour limiter l'intensité du courant
émetteur-collecteur en dessous du courant maximum (dépendant
du transistor), on a placé en série dans le circuit
une résistance. Exemple : alimentation 10 volts, IEC
max = 10 mA, R sera choisie à 1 kilohms.
Le champ électrique présent
dans le transistor provoque un déplacement des électrons
vers le + de l'alimentation. Toutefois, aux bornes de la jonction
EB (émetteur-base) le champ est nettement plus faible
et les électrons de la zone du collecteur ne peuvent traverser
la jonction. Le faible courant émetteur collecteur est
dû aux électrons ayant traversé les jonctions
grâce à l'agitation thermique. |
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3 - Polarisation de la base
Une tension positive (par rapport à l'émetteur)
est appliquée sur la base. La jonction EB, polarisée
dans le sens direct, est traversée par un courant d'électrons
important. Comme la distance entre la jonction EB et la jonction
BC est faible, la plupart des électrons se trouvent soumis
au champ électrique important de la jonction BC et sont
attirés par le collecteur. Ils traversent alors la jonction
base-collecteur en sens inverse et provoquent un courant émetteur-collecteur
intense.
Un faible pourcentage des électrons ayant traversé
la jonction EB sont captés par l'électrode de base.
Le courant collecteur est pratiquement proportionnel au courant
base. |
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Amplification d'un transistor
Un courant
base très faible peut provoquer un courant collecteur
important. Le rapport entre courant collecteur IC et courant
base IB est le coefficient d'amplification de courant b . Il
dépend du transistor et des conditions d'utilisation (Ic).
Exemple : un transistor a un b de 100 pour un courant collecteur de
100 mA. Quel est le courant émetteur dans ce cas ?
On commence par calculer IB = IC / 100 = 1 mA. IE = 100+1 =
101 mA. |
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Tensions et courants dans le transistor
Le
schéma ci-contre n'a pas d'autre utilité que de
montrer un transistor NPN, les courants qui le parcourent (sens
de déplacement des électrons) et les tensions mesurables
entre ses connexions.
La représentation symbolique d'un transistor PNP est identique,
à part la direction de la flèche représentant
l'émetteur qui est dirigée vers l'intérieur
du cercle. |
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Les caractéristiques limites d'un
transistor
Au-delà de certaines limites
: tensions, courant, puissance... un transistor peut être
endommagé si ce n'est détruit. Les valeurs à
ne pas dépasser sont :
VCBO : tension collecteur-base (émetteur ouvert)
- ex : 50 V
VCEO : tension collecteur-émetteur (base ouverte)
- ex : 45 V
VEBO : tension émetteur-base (collecteur ouvert)
- ex : 6 V
ICM : courant collecteur crête - ex : 6 V
IBM : courant base - ex : 200 mA
PTOT : puissance totale dissipée - ex : 300
mW
Tj : température de jonction - ex : 175 °C |
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