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LE TRANSISTOR BIPOLAIRE, MONTAGES EN COURANT CONTINU Le but de cette leçon est

LE TRANSISTOR BIPOLAIRE, MONTAGES EN COURANT CONTINU Le but de cette leçon est d'introduire au fonctionnement du transistor bipolaire et du montage inverseur. Dans cette partie comme dans la précédente consacrée aux semiconducteurs et aux diodes, il est présenté une introduction au fonctionnement du transistor bipolaire. Le modèle de Ebers et Moll permet de comprendre le fonctionnement de ce composant et nous l'utiliserons en exercices et en laboratoire dans le mode continu. ______________________________________________________ 1. GENERALITES _____________ 1.1. Introduction Le transistor bipolaire est l'un des dispositifs à semiconducteur les plus utilisés à l'heure actuelle dans les rôles d'amplificateur et d'interrupteur. C'est un élément composé de deux jonctions pn; aussi son étude nécessite-t-elle la connaissance préalable du chapitre SPN traitant de la jonction. 1.2. Définitions Le transistor bipolaire (Bipolar Junction Transistor) est un dispositif à semiconducteur présentant trois couches à dopages alternés npn ou pnp (voir fig. 1). Figure 1: structures et symboles des transistors bipolaires La couche médiane est appelée base. Leur géométrie et leur nombre volumique en impuretés distinguent les deux couches externes: émetteur et collecteur. Par extension, on appelle également base, émetteur et collecteur les trois électrodes qui donnent accès aux trois couches correspondantes. Les deux jonctions qui apparaissent dans le transistor sont désignées par le nom des deux régions entre lesquelles elles assurent la transition; on trouve, par conséquent, la jonction base-émetteur (BE) également dénommée jonction de commande et la jonction base- collecteur (BC). Dans les symboles de la figure 1, la flèche désigne la jonction de commande. 1.4. Hypothèse Le principe de superposition s'applique aux charges injectées par la jonction BE et aux charges injectées par la jonction BC. On peut donc étudier séparément l'effet de chaque jonction. 1.5. Description: transistor au repos La figure 2 montre les barrières de potentiel énergétique pour les électrons et pour les trous. Au repos, elles sont telles que ni les électrons de l'émetteur, ni les électrons du collecteur, ni les trous de la base ne peuvent les franchir. Figure 2: transistor au repos ______________________________________________________ 2. MODES DE FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR _____________ 2.1. Description: mode F Le mode F (Forward: progressif) est un mode particulier de fonctionnement du transistor dans lequel la tension de la jonction BC est maintenue à zéro. A la figure 3 on a représenté les barrières de potentiel pour les électrons et les trous dans le transistor en mode F. Figure 3: fonctionnement du transistor en mode F Dans le cas d'une polarisation inverse de la jonction BE, ni les électrons de l'émetteur, ni les trous de la base ne peuvent franchir la barrière de potentiel existant entre base et émetteur. Aucun courant ne circule dans le transistor. Si la jonction BE est polarisée en sens direct, la barrière de potentiel de la jonction BE est diminuée. Les électrons de l'émetteur diffusent dans la base; comme celle-ci est courte, ces électrons sont rapidement happés par le puits de potentiel que représente le collecteur. Le flux d'électrons allant de l'émetteur au collecteur en transitant par la base se traduit par un courant IF, qui n'est rien d'autre que le courant de la jonction BE et qui répond à l'expression: (1) Les trous injectés de la base dans l'émetteur sont responsables du courant IBF et obéissent également à la loi de la jonction. On peut ainsi écrire: (2) Définition Le rapport βF entre le courant de collecteur et le courant de base est constant; on l'appelle gain de courant en mode F : (3) Propriétés Les deux courants, IF et IBF qui traversent la jonction BE sont indépendants du comportement de la jonction BC. Dans une modélisation du transistor, on traduit l'équation (1) en disant que le courant de collecteur du transistor, en mode F, est commandé par la tension base-émetteur. On peut également affirmer que le courant de collecteur du transistor, en mode F, est commandé par le courant de base selon la relation: (4) Ces deux propriétés apparaissent dans les caractéristiques de transfert en mode F de la figure 4. Figure 4: caractéristiques de transfert en mode F La caractéristique d'entrée du transistor en mode F est donnée par la relation (2) et représentée à la figure 5. Figure 5: entrée en mode F Commentaires Lors de la fabrication des transistors on met tout en oeuvre pour que le courant de base en mode F soit le plus faible possible. En particulier, l'émetteur est dopé beaucoup plus fortement que la base pour que les électrons injectés dans la base soient plus nombreux que les trous injectés dans l'émetteur. D'autre part, on réalise des bases aussi étroites que possible de telle sorte que, pendant leur transit, les électrons n'aient que peu de chances de s'y recombiner. Le gain de courant en mode F atteint des valeurs se situant entre 100 et 1000 pour des transistors de petite puissance (< 1W). 2.2. Description: mode de fonctionnement R Tout comme le mode F, le mode R (Reverse: inverse) désigne un fonctionnement particulier du transistor. En mode R, c'est la tension de la jonction BE que l'on maintient nulle. Les barrières de potentiel pour les électrons et pour les trous prennent alors les allures décrites à la figure 6. Les phénomènes sont identiques à ceux qui se produisent en mode F: en polarisation inverse de la jonction BC, aucun courant ne circule alors qu'en polarisation directe, les électrons du collecteur sont injectés dans la base, la traversent, et les trous de la base sont injectés dans le collecteur. Si la jonction BC est polarisée en sens direct, sa barrière de potentiel est diminuée. Les électrons du collecteur diffusent dans la base et sont happés par le puits de potentiel que représente alors l'émetteur. Le flux d'électrons allant du collecteur à l'émetteur en transitant par la base se traduit par un courant IR, qui n'est rien d'autre que le courant d'électrons de la jonction BC et qui répond à l'expression: (5) Figure 6: fonctionnement du transistor en mode R Les trous injectés de la base dans le collecteur sont responsables du courant IBR et obéissent également à la loi de la jonction. On peut ainsi écrire: (6) Définition Le rapport βR entre le courant de collecteur et le courant de base est constant; on l'appelle gain de courant en mode R : (7) Propriétés Les deux courants, IR et IBR qui traversent la jonction BC sont indépendants du comportement de la jonction BE. Dans une modélisation du transistor, on traduit l'équation (5) en disant que le courant d'émetteur du transistor, en mode R, est commandé par la tension base-collecteur. On peut également affirmer que le courant d'émetteur du transistor, en mode R, est commandé par le courant de base selon la relation (8) Ces deux propriétés apparaissent dans les caractéristiques de transfert en mode R de la figure 7. Figure 7: caractéristiques de transfert en mode R La caractéristique d'entrée du transistor en mode R est donnée par la relation (6) et représentée à la figure 8. Figure 8: entrée en mode R Commentaire Il est intéressant de remarquer que les caractéristiques de transfert qui expriment la relation entre le courant commandé et la tension de commande [relations (1) et (5)] ont la même forme. Ceci s'explique par le fait que, pour une tension donnée. l'injection d'électrons dans la base ne dépend que de la concentration des impuretés dans la base. Le gain de courant inverse βR, du fait de la technologie, est plus petit que le gain de courant βF; dans un transistor discret de petite puissance il peut être compris entre 1 et 10 alors qu'il devient beaucoup plus petit que l'unité dans les transistors intégrés. ______________________________________________________ 3. MODELES DE EBERS ET MOLL _____________ 3.1. Description Le modèle de Ebers et Moll (modèle EM) du transistor résulte de la superposition des modes F et R, superposition autorisée en vertu de l'hypothèse 1.4 3.2. Mode F Le courant IF dépend uniquement de UBE (ou de IBF). Le couple de grandeurs (UBE, IBF), caractéristique de la diode DE, rend compte du comportement de la jonction BE (fig. 9). Figure 9: mode F 3.3. Mode R Le courant IR dépend uniquement de UBC (ou de IBR). Le couple de grandeurs (UBC, IBR), caractéristique de la diode DC, rend compte du comportement de la jonction BC (fig. 10). Figure 10: mode R 3.4. Modèle de Ebers et Moll Comme le modèle de Ebers et Moll résulte de la superposition des modes F er R, le transistor peut être représenté par une source de courant, placée entre collecteur et émetteur, dont une composante est commandée par la jonction BE et l'autre par la jonction BC; le comportement des deux jonctions est simulé par les diodes DE et DC placées entre base et émetteur, respectivement entre base et collecteur (voir fig. 11). Figure 11: modèle de Ebers et Moll Le modèle de Ebers et Moll est entièrement décrit par trois paramètres qui sont: le courant inverse de saturation du transistor, Is, le gain de courant en mode F, βF et le gain de courant en mode uploads/Litterature/ le-transistor-bipolaire-cours-exercices-corr.pdf