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02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/S

02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 1/11 Le transistor à jonction Denis Gauthier, Lycée Bernard Palissy, 47000 Agen Composant très important des circuits électroniques, sa découverte en 1948 par l'américain W. Shocckley a permis la réalisation d'appareils peu encombrants et fonctionnant avec peu d'énergie (piles). Nous étudions le transistor bipolaire, modèle le plus simple. 1- Description et symboles : * Le transistor bipolaire est formé d'un monocristal semi-conducteur (silicium) dans lequel on a créé 3 zones de conductivité différentes par dopage (P ou N) à l'aide d'impuretés (voir Annexe du chapitre précédent). Ces 3 zones donnent deux jonctions PN très proches. La zone centrale, très mince (" 50 µm), constitue la base B ; les deux autres zones sont l'émetteur E et le collecteur C. Elles sont reliées à trois bornes extérieures. * Il y a deux types de transistor, suivant que la base est dopée P ou N. Sur le symbole la flêche indique le sens passant de la jonction émetteur-base. Les deux jonctions sont toujours dissymétriques : NP et PN, pour le type NPN ; PN et NP, pour le type PNP. 2- Expériences préliminaires : On utilise un transistor NPN. 2-1 Etude du dipôle BE : On réalise sur une plaquette les deux montages suivants. 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 2/11 Observation : Conclusion : A quel dipôle peut-on assimiler le dipôle BE ? 2-2 Etude du dipôle CE : On réalise sur plaquette les deux montages suivants. Observation : Conclusion : 3- Expérience fondamentale : 3-1 Montage avec émetteur commun : On réalise ce montage (le plus employé) sur une plaquette adaptée 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 3/11 3-2 Mesures : On augmente doucement uBE jusqu'à avoir Ib = 0,1 mA et on poursuit les mesures en faisant croitre Ib par 0,1 mA jusqu'à 1 mA. On passe ensuite à une progression par 1 mA jusqu'à 4 mA. uBE (V) 0 Ib (mA) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 Ic (mA) 0 uCE (V) 0 3-3 Tracé des courbes : On trace sur papier millimétré (à la maison) et, avec le tableur EXCEL ou de SYNCHRONIE (au Lycée), les courbes, Ib= f (uBE) et Ic = f (Ib). 4- Interprétation des caractéristiques tracées : 4-1 Ib en fonction de uBE : La courbe Ib = f (uBE) obtenue est analogue à la caractéristique i = f(uAB) d'une diode silicium : le dipôle BE se comporte comme une diode ordinaire de tension seuil us " 0,6 V. Quand Ib augmente, uBE devient pratiquement constante à une valeur proche de us. 4-2 Ic en fonction de Ib : La courbe Ic = f(Ib) obtenue présente deux parties séparées par une partie de transition. * 1ère partie : Ic est fonction linéaire croissante de Ib avec Ic / Ib = cte = b ; à partir des points limites, on calcule , b = * 2ème partie : 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 4/11 Ic " cte = Ic sat 5- Schématisation des modes de fonctionnement d'un transistor : 5-1 Idéalisation des caractéristiques précédentes : Ces courbes sont simplifiées en négligeant les phases intermédiaires. 5-2 Domaines de fonctionnement : 5-2-1 Domaine 1, transistor bloqué : uBE < us ; Ib = Ic = 0 ; uCE = 6,0 V = Ec (f.e.m du générateur placé dans le circuit du collecteur) Le transistor est équivalent à un interrupteur ouvert. 5-2-2 Domaine 2, transistor amplificateur linéaire de courant : uBE " us ; Ic = b Ib ( b >> 1) ; Ie = Ib + Ic " Ic ; uCE < Ec = 6,0 V Le courant Ib dans le circuit de la base commande le courant amplifié Ic dans le circuit du collecteur. 5-2-3 Domaine 3, transistor saturé : uBE " us ; uCE " 0 ; Ic = Ic sat = Ec / Rc = cte " 60 mA (générateur du collecteur, fermé sur Rc). Le transistor est équivalent à un interrupteur fermé sur le circuit du collecteur. 5-3 Les deux modes d'utilisation du transistor : En conclusion deux modes de fonctionnement sont possibles pour le transistor. * Mode tout ou rien : domaines 1 et 3, le transistor fonctionne comme un interrupteur commandé par Ib donc par uBE : Ib = 0, interrupteur ouvert ; Ib > Ib sat, interrupteur fermé. * Mode amplificateur de courant : domaine 2, Ic est proportionnel à Ib avec un coefficient élevé. Remarque : Pour l'explication microscopique de ces propriétés voir à la fin, ANNEXE. 6- Tracé automatique des caractéristiques avec le logiciel SYNCHRONIE : 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 5/11 6-1 Montage : * On se sert d'un ordinateur avec une carte CAN, PC MS3, qui présente 8 entrées. Dans ce montage, on utilise 5 entrées. * Le GBF donne une tension en dents de scie assymétriques, de faible fréquence (f = 0, 066 Hz et T = 15 s), croissant lentement de -1 à 5 V et décroissant rapidement de 5 à - 1 V. L'acquisition est déclenchée sur la voie 4, donnant uG tension du GBF, à 0 croissant ; elle a une durée de 9 ms correspodant à la variation de uG de 0 à 4 V. * La voie 0 donne, uDE = u0 = RbIb + uBE . La voie 1 -, uEF = RcIc. La voie 2, uBE . La voie 3, uCE. La feuille de calcul permet d'obtenir : Ib = (u0 - uBE) / Rb = (u0 - uBE) / 1000 ; Ic = RCIc / Rc = RCIc / 100. 6-2 Courbes : On fait afficher les caractéristiques dans des fenêtres différentes (voir document pages suivantes). 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 6/11 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 7/11 Annexe 1- Transistor NPN bloqué : 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 8/11 uBE < us. * Pour uCE = 0, la migration des électrons libres de la zone N vers la zone P crée deux jonctions inverses, CB jonction NP et BE jonction PN. * A chaque fois qu'on applique une tension uCE positive ou négative, les deux jonctions étant inverses, il y en a toujours une dont la zone N est reliée à la borne + du générateur : cette jonction est polarisée en inverse (plus large et bloquée) et l'autre en direct. Dans chaque cas, Ic = 0. 2- Transistor NPN linéaire ou saturé : uBE " us et uCE > 0 * Pour uCE > 0, la zone N de la jonction CB est reliée à la borne + du générateur et cette jontion est bloquée. Avec uBE " us la jonction BE (avec sa zone N reliée à la borne - du générateur) est passante de B vers E : des électrons de l'émetteur (fortement dopé N) la traversent de E vers B. La base B, mince et peu dopée P, ne contient pas assez de trous pour les accueillir. Une très faible proportion de ces électrons (ordre 1%) comblera des trous et donnera dans la base un déplacement d'électrons de valence vers B (ou de trous vers E), correspondant au courant Ib. 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 9/11 Cette arrivée d'électrons dans la base (dopée P), va affaiblir la jonction BC : la plupart des électrons venus de E (explication du nom, émetteur) la franchiront, attirés par le potentiel positif de C (explication du nom, collecteur), et donneront le courant Ic. * Le nombre d'électrons traversant la jonction BE augmente avec uBE et par suite Ib. Cette augmentation des électrons arrivant dans la base rend la traversée de la jonction BC plus facile et entraine le passage d'un pourcentage croissant de ces électrons vers C : IC augmente donc d'abord avec uBE et Ib , transistor en régime linéaire avec Ic = b . Ib. A partir d'une certaine valeur de uBE donnant Ib = Ib sat, ce pourcentage devient constant et entraine Ic = cte = IC sat, transistor en régime saturé. 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 10/11 02/05/2019 Le transistor à jonction webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/STAGES/IEE3.htm 11/11 Le groupe académique Sciences-Physiques et Informatique uploads/Sante/ le-transistor-a-jonction 1 .pdf