Le transistor bipolaire

(1)

Pascal MASSON -Parcours des écoles d'ingénieurs Polytech (Peip) Le transistor bipolaire

Le transistor bipolaire

École Polytechnique Universitaire de Nice Sophia-Antipolis Parcours des écoles d'ingénieurs Polytech (Peip)

1645 route des Lucioles, 06410 BIOT

Pascal MASSON

(pascal.masson@unice.fr)

Edition 2017-2018

Sommaire

I. Historique

II. Caractéristiques du transistor

IV. Les fonctions logiques

V. Astable ABRAHAM BLOCH

III. Polarisation du transistor

(2)

I.1. Rôle du transistor bipolaire

Le transistor bipolaire est un composant électronique utilisé comme : interrupteur commandé, amplificateur, stabilisateur de tension, modulateur de signal …

I.2. Histoire du transistor

I. Historique

1947 : John BARDEEN et Walter BRATTAIN inventent le transistor à contact (transistor) au laboratoire de physique de la société BELL (USA). Cette découverte est annoncée en juillet 1948.

Transistron 1948

1948 : Herbert MATARE et Heinrich WELKER inventent (indépendamment de BELL) aussi le transistor à contact en juin 1948 (en France). Ce transistor sera appelé le Transistron pour le distinguer de celui de BELL.

Transistor à contact 1948

1948 : en janvier William SHOCKLEY invente le transistor à jonction (bipolaire) mais la technique de fabrication ne sera maitrisée qu’en 1951

Transistor à jonction 1948

(3)

I.2. Histoire du transistor

Les transistors remplacent les contacteurs électromécaniques des centraux téléphoniques et les tubes dans les calculateurs.

1953 : première application portative du transistor entant que sonotone.

Sonotone 1010

1953 – calculateur (93 transistors + 550 diodes)

1954 : première radio à transistors.

Régency TR-1 (4 transistors)

I.3. Histoire des premiers circuits intégrés

I. Historique

1958 : Jack KILBY de Texas Instrument présente le premier circuit (oscillateur) entièrement intégré sur une plaque de semi- conducteur.

1960 : production de la première mémoire Flip Flop par la société Fairchild Semiconductor.

1958 – premier circuit intégré

1960 – Flip Flop en circuit intégré

1965 : à partir du nombre de composants par circuit intégré fabriqué depuis 1965, Gordon MOORE (Fairchild Semiconductor) prédit que le nombre de composants intégrés (par unité de surface) doublera tous les 12 mois. Cette loi est toujours vraie !

(4)

II.1. Définition d’un transistor bipolaire

Le transistor bipolaire est créé en juxtaposant trois couches de semi- conducteur dopés N⁺, P puis N pour le transistor NPN (courant dû à un flux d’électrons) ou dopés P⁺, N puis P pour le transistor PNP (courant dû à un flux de trous). Le niveau de dopage décroit d’un bout à l’autre de la structure.

Un faible courant de base, I_B, permet de commander un courant de collecteur, I_C, bien plus important.

II.2. Représentation

émetteur collecteur

base

émetteur collecteur

base P

N⁺ N

V_BE V_CE

I_C

I_E I_B

Transistor NPN

base N

P⁺ P

V_BE V_CE

I_C

I_E I_B

Transistor PNP

II.3. Fonctionnement du transistor NPN

II. Caractéristiques du transistor

B

E

Le courant d’une diode est en réalité constitué d’un courant de trous (h⁺) et d’un courant d’électrons (e^)

h⁺ e^

Cette diode est telle que le courant d’électrons estfois plus grand que le courant de trous

Soit une diode dont l’anode est appelée la Base (B) et la cathode l’Emetteur (E)

V_BE

(5)

II.3. Fonctionnement du transistor NPN

On positionne à présent une deuxième diode dont la cathode s’appelle le Collecteur (C)

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

Cette deuxième diode est polarisée en inverse donc le courant qui la traverse doit être nulle

Technologiquement, les anodes de ces deux diodes sont confondues et le courant d’électrons est happé par cette deuxième diode et sort par le collecteur.

I_C

I_E I_B

Le transistor bipolaire permet ainsi le passage d’un courant direct dans une diode en inverse.

II.3. Fonctionnement du transistor NPN

II. Caractéristiques du transistor

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

Ce courant de collecteur ne dépend que de la valeur de V_BE tant que la diode BC est suffisamment « bloquée »

Si cette diode n’est pas suffisamment

« bloquée », une partie des électrons sort par la base, on dit que le transistor est saturé

V_CE

La tension V_CE à partir de laquelle cela arrive est appelée V_CEsat

I_C

I_E I_B

(6)

II.4. Caractéristiques I

_B

(V

_BE

) du transistor NPN

Pour débloquer (rendre passant) le transistor NPN, il faut que la jonction base-émetteur soit polarisée en direct avec une tension supérieure à la tension de seuil, V_S, de cette diode : V_BE> V_S.

base P

N⁺ N

V_BE V_CE

I_C

I_E I_B

La caractéristique I_B(V_BE) est celle de la diode base-émetteur en ne considérant que le courant de trou.

V_BE(V) 0

I_B(A)

directe

V_S inverse

Ici le courant de trous est bien plus faible que le courant d’électrons.

I_B(A)

II.4. Caractéristiques I

_B

(V

_BE

) du transistor PNP

Pour débloquer (rendre passant) le transistor PNP, il faut que la jonction base-émetteur soit polarisée en direct avec une tension supérieure (en valeur absolue) à la tension de seuil, V_S, de cette diode soit : V_BE<V_S.

La caractéristique I_B(V_BE) est celle de la diode base-émetteur en ne considérant que le courant des électrons.

Ici le courant des électrons est bien plus faible que le courant des trous.

II. Caractéristiques du transistor

base N

P⁺ P

V_BE V_CE

I_C

I_E I_B

0 directe

V_S

inverse

(7)

Pascal MASSON -Parcours des écoles d'ingénieurs Polytech (Peip) Le transistor bipolaire émetteur

collecteur

base P

N⁺ N

V_BE V_CE

I_C

I_E I_B

V_CE(V) 0

I_C(A)

II.4. Caractéristiques I

_C

(V

_CE

) du transistor NPN

Si la jonction BC est polarisée en inverse, alors le courant d’électrons peut traverser cette jonction.

I_B1 I_B2> I_B1 I_B3 I_B4

Dans ce cas le courant I_Cest indépendant de V_CE: régime linéaire (I_C=.I_B)

Si V_CE= 0 alors aucun courant ne circule entre l’émetteur et le collecteur

Le basculement entre ces deux fonctionnements se produit à la tension V_CEsat(sat pour saturation) : le courant I_Cn’est pas proportionnel à I_B.

V_CEsat

Linéaire saturé

II.5. Bilan des caractéristiques I

_B

(V

_BE

) et I

_C

(V

_CE

)

II. Caractéristiques du transistor

V_CE(V) 0

I_C(A)

V_CEsat

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S

Bloqué : V_BE< V_S, I_B= 0, I_C= 0

B

E C

V_BC

V_BE

V_CE I_C

I_E I_B h⁺

(8)

II.5. Bilan des caractéristiques I

_B

(V

_BE

) et I

_C

(V

_CE

)

V_CE(V) 0

I_C(A)

V_CEsat

Passant_Linéaire : V_BE> V_S, I_B> 0, I_C= .I_B

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

V_CE I_C

I_E I_B h⁺

II.5. Bilan des caractéristiques I

_B

(V

_BE

) et I

_C

(V

_CE

)

II. Caractéristiques du transistor

V_CE(V) 0

I_C(A)

V_CEsat

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

V_CE I_C

I_E I_B h⁺

(9)

II.5. Bilan des caractéristiques I

_B

(V

_BE

) et I

_C

(V

_CE

)

V_CE(V) 0

I_C(A)

V_CEsat

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

V_CE I_C

I_E I_B h⁺

II.5. Bilan des caractéristiques I

_B

(V

_BE

) et I

_C

(V

_CE

)

II. Caractéristiques du transistor

V_CE(V) 0

I_C(A)

V_CEsat

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

V_CE I_C

I_E I_B h⁺

(10)

II.5. Bilan des caractéristiques I

_B

(V

_BE

) et I

_C

(V

_CE

)

V_CE(V) 0

I_C(A)

V_CEsat

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

V_CE I_C

I_E I_B h⁺

II.5. Bilan des caractéristiques I

_B

(V

_BE

) et I

_C

(V

_CE

)

II. Caractéristiques du transistor

V_CE(V) 0

I_C(A)

V_CEsat

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S

Passant_Saturé : V_BE> V_S, I_B> 0, I_C< .I_B, V_CE< V_CEsat

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

V_CE I_C

I_E I_B h⁺

h⁺+e^

(11)

II.5. Bilan des caractéristiques I

_B

(V

_BE

) et I

_C

(V

_CE

)

V_CE(V) 0

I_C(A)

V_CEsat

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S

Passant_Saturé : V_BE> V_S, I_B> 0, I_C< .I_B, V_CE< V_CEsat

B

E h⁺ e^

C

V_BC

V_BE

V_CE I_C

I_E I_B h⁺

h⁺+e^

III.1. Polarisation simple

La boucle d’entrée permet de déterminer la valeur de I_B

III. Polarisation du transistor

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE G

E

0  IB

0 VBE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

E_G/R_B

I_B0

V_BE0

Détermination de I_B0et I_C0

(12)

E_G V_BE

III.1. Polarisation simple

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B R_C

I_C

On peut donc résumer le transistor à trois éléments :

En entrée : V_Set R_S(donc la diode base-émetteur)

En sortie: un générateur de courant I_C=.I_B B C .I I 

On considère que le transistor est en régime linéaire

III.1. Polarisation simple

III. Polarisation du transistor

V_CE 0

I_C

I_B0

V_DD V_DD/R_C

V_CE0 I_C0

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE V_CEsat

CE C C DD R .I V

V   VCEVDDRC.IC

Il faut à présent vérifier si le transistor est réellement en régime linéaire par le calcul de V_CE

Si V_CE> V_CEsatalors on confirme le régime linéaire et les calculs sont exacts

(13)

III.1. Polarisation simple

V_CE 0

I_C

I_B0

V_DD V_DD/R_C

V_CE0 I_C0

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE V_CEsat

CEsat 0 C C DD R .I V

V  

C CEsat 0 DD

C R

V I V 

Si on utilise pas la droite de charge, on impose V_CE= V_CEsatet on détermine la valeur de I_Cavec la boucle de sortie.

Si V_CE< V_CEsatle transistor est en régime saturé et l’utilisation de la droite de charge donne les vraies valeurs de I_C0et V_CE0

III.1. Polarisation simple

III. Polarisation du transistor

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE V_BE(V)

0 I_B(A)

V_S E_G

E_G/R_B

I_B0

V_BE0

Il faut aussi re-déterminer la véritable valeur du courant de base.

Les électrons qui passent de l’émetteur à la base ne sont pas tous propulsés au collecteur et une partie sort par la base.

Les valeurs de V_Set R_Ssont donc différentes

(14)

III.1. Polarisation simple

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

Variation de R_Bavec R_Cconstant

On part d’une valeur de R_B suffisamment grande pour que le transistor soit en régime linéaire

V_CE 0

I_C

I_B0 V_DD V_DD/R_C

V_CEsat

On diminue alors R_B

La droite de charge en sortie ne change pas

E_G/R_B

III.1. Polarisation simple

III. Polarisation du transistor

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

V_CE 0

I_C

I_B0

V_DD V_DD/R_C

V_CEsat

E_G/R_B

(15)

III.1. Polarisation simple

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

E_G/R_B

V_CE 0

I_C

I_B0

V_DD V_DD/R_C

V_CEsat

III.1. Polarisation simple

III. Polarisation du transistor

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

E_G/R_B

V_CE 0

I_C

I_B0

V_DD V_DD/R_C

V_CEsat

I_C0

(16)

III.1. Polarisation simple

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

E_G/R_B

Variation de R_Cavec R_Bconstant

On part d’une valeur de R_C suffisamment faible pour que le transistor soit en régime linéaire

V_CE 0

I_C

V_DD V_DD/R_C

V_CEsat

On augmente alors R_C

La droite de charge en entrée ne change pas

I_B0 I_B0

III.1. Polarisation simple

III. Polarisation du transistor

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

E_G/R_B

V_CE 0

I_C

V_DD V_DD/R_C

V_CEsat

I_B0

(17)

III.1. Polarisation simple

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

E_G/R_B

V_CE 0

I_C

V_DD V_DD/R_C

V_CEsat

I_B0

III.1. Polarisation simple

III. Polarisation du transistor

V_CE I_C I_B

V_DD

R_B

E_G

R_C

V_BE

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S E_G

E_G/R_B

V_CE 0

I_C

V_DD V_DD/R_C

V_CEsat

I_B0

I_C0 I_B0

(18)

I_B

III.2. Pont de base

R_C V_DD

V_BE I_P+ IB

R₁

R₂

V_CE

Les résistances R₁et R₂forment un pont entre la base et V_DDd’où le nom.

La détermination de I_Bpasse par celle de I_P.

I_P

III.2. Pont de base

III. Polarisation du transistor

I_B: approche simple

On considère que I_P>>> I_B.

R_C V_DD

V_BE I_P+ IB

R₁

R₂

V_CE I_P

Dans ce cas un simple pont diviseur de tension permet de connaître la valeur de V_BEet par suite la valeur de I_B.

DD 2 1

BE 2 V

R R V R

 

I_B

Puis on détermine I_B.

S S B BER

V I V 

(19)

III.2. Pont de base

I_B: système de 2 équations

On résout un système de deux équations qui correspond à l’ écriture de deux mailles en entrée

R_C V_DD

V_BE I_P+ IB

R₁

R₂

V_CE I_P

B S S P 2

BE R .I V R .I

V   



_P _B



_BE ₁ _P _S



₁ _S



_B

1

DD R.I I V R .I V R R I

V       

On trouve

2 S 1 S 1

S 2 DD 1

B

R .R R R R

V R 1 V R I





 



 





I_B

(1) (2)

III.2. Pont de base

III. Polarisation du transistor

On peut aussi transformer V_DD, R₁et R₂en générateur de thévenin

R_C V_DD

V_CE

On débranche la base du transistor pour éliminer le courant I_B

On détermine alors E_th avec un pont diviseur de tension

2 1

2 th 1

R R

R . R R

 

DD 2 1

th 2 V

R R E R

 

Pour déterminer R_th, on éliminer les sources (ici V_DD= 0) ce qui donne R₁// R₂

E_th

I_B V_BE

D’où I_B:

S th

R R

V IB E



 

R_th

I_B: Thévenin

(20)

III.2. Pont de base

On retrouve le théorème de Thévenin à partir des deux mailles en entrée :

R_C V_DD

V_BE I_P+ IB

R₁

R₂

V_CE I_P

I_B P

2 BE R .I

V 



P B



BE

1

DD R.I I V

V   

On extrait I_P de la première équation que l’on reporte dans la deuxième

BE B 1 2 1 BE

DD R .I V

R .V R

V   

Qui s'écrit aussi en regroupant les V_BE

BE B 2 1

2 DD 1

2 1

2 .I V

R R

R . V R

R R

R 

 



Rth Eth

I_B: Thévenin

III.3. Résistance d’émetteur

III. Polarisation du transistor

R_C V_DD

V_CE

La maille en entrée s'écrit :



B C



E B S S B th

th R .I V R .I R .I I

E     

R_th

E_th

I_B V_BE

R_E

Dans la résistance R_Eil passe le courant I_Edonc les courants I_Bet I_C

 

_B

E B S S B th

th R .I V R .I R .1 .I

E     

On trouve le courant I_B

 

_E

S th

S B th

R . 1 R R

V I E





 

Vu de l’entrée (donc de I_B), la résistance R_Eest multipliée par (1+)

En fonction de la valeur de  on peut écrire :



1



.RE.RE

Erreur classique : oublie du

(21)

III.3. Résistance d’émetteur

R_C V_DD

V_CE R_th

E_th

I_B V_BE

R_E

La présence de R_Epermet une régulation thermique du transistor

En fonctionnement, le transistor chauffe à cause de la circulation du courant ce qui augmente la valeur du courant qui engendre une augmentation de la température etc …

En présence de R_E:

V_E

T° I_B

V_E V_BE I_B

Si la présence de R_E n’est pas suffisante, il faut ajouter un radiateur sur le transistor.

V_BE(V) 0

I_B(A)

V_S T°

V_BE V_CE= V_S I_C

I_B

IV.1. L’inverseur

La loi des mailles dans la boucle de sortie donne :

V_CE(V) 0

I_C(A)

R R_B R₁ 24 V

6 V

0 V V_E

S E

C S

CE V 24 R.I

V   

On obtient alors la droite de charge :

R V R I_C24 ^CE

Si V_E= 0 V :V_BEest négatif (transistor bloqué) et I_C= 0 soit V_S= 24 V

A

Si V_E= 24 V :V_BE> 0 (transistor passant) et I_B= I_B4donc V_SV_CEsat0 V

B I_B4

IV. Les fonctions logiques

(22)

IV.1. L’inverseur

La loi des mailles dans la boucle de sortie donne :

V_CE(V) 0

I_C(A)

C S

CE V 24 R.I

V   

On obtient alors la droite de charge :

R V R I_C24 ^CE

A

B I_B4

V_S(V)

V_E(V) 24

V_CEsat

24 A

B I_B1

I_B2> I_B1 I_B3

On trace maintenant la caractéristique V_S(V_E) de l’inverseur.

IV.1. L’inverseur

V_S(V)

V_E(V) 24

V_CEsat

24

En pratique on définit un gabarit pour l’inverseur

Table de vérité et symbole logique :

E S 0

0 1 1

S = E E

IV. Les fonctions logiques

(23)

IV.2. La fonction NI (NON-OU, NOR)

Schéma électrique d’une porte NI :

Table de vérité et symbole logique : E₁ S 0

0 1 1 E₂

0 0

0 1 1 1

0 0 S = E₁+E₂

E₁ E₂

V_BE V_CE= V_S I_C

I_B R R_B

R₁ 24 V

6 V

0 V

S R₂

Schéma logique le la mémoire : Table de vérité :

Le but est de stocker l’information 1 ou 0.

Set Reset Q

Q

Chronogramme :

Set Reset Q Q

0 1 Set t

0

1 t

Reset

0 1 Q t

0

1 t

Q

IV. Les fonctions logiques

IV.3. La fonction mémoire à deux portes NI

(24)

Set Reset Q

Q

Chronogramme :

Set Reset Q Q

0 1 Set t

0

1 t

Reset

0 1 Q t

0

1 t

Q

IV.3. La fonction mémoire à deux portes NI

Set Reset Q

Q

Chronogramme :

Set Reset Q Q

0 1 Set t

0

1 t

Reset

0 1 Q t

0

1 t

Q

IV. Les fonctions logiques

IV.3. La fonction mémoire à deux portes NI

(25)

Symbole logique de la mémoire RS (bascule RS) :

Schéma électrique de cette mémoire :

Set Q

Reset Q

Reset

R RB

R1

R2

Set

R RB

R1

24 V

6 V

0 V

R2 Q Q

Mémoire de type RAM (Random Acces Memory) qui s’apparente à la SRAM (Static) : l’information disparaît si on éteint l’alimentation.

Si le pont de base consomme 1 µ A (sous 30 V) et que l’on stocke 10⁶ bits alors la mémoire disperse au moins 30 W !

Set Reset Q

Q

IV.3. La fonction mémoire à deux portes NI

1971 : 256-bit TTL RAM (Fairchild)

IV.3. La fonction mémoire à deux portes NI

IV. Les fonctions logiques

(26)

Circuit dont le schéma s’apparente à celui de la mémoire RS et qui fournit un signal carré.

R_C1

V_DD

C₁ C₂ R_C2

R₁ R₂

T₁ T₂

V_BE2 V_CE1

V_BE1 t

V_CE2

t V_DD

0.6 V t₀

t 0

V_DD

0.6 V t 0