Bipolaire theorie

ISSLg - Cours d'électronique - Électronique (ELO)

Les transistors bipolaires - théorie

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Deux types : NPN & PNP

Le transistor bipolaire est un composant à trois broches, comprenant 2 jonctions : soit NPN soit PNP.
Ces jonctions sont souvent représentées schématiquement comme ceci :

Transistor bipolaire NPN	Transistor bipolaire PNP

Nom des broches :

E = émetteur
B = base
C = collecteur

À première vue, le transistor paraît symétrique (on pourrait permuter E et C), mais dans la pratique :
* le E est plus fortement dopé ;
* la surface de la jonction E-B est plus petite que la surface de la jonction B-C.
Le composant n'est donc absolument pas symétrique et si on permute E et C on constate un effondrement du gain du transistor.

À la fabrication, c'est plutôt ceci que l'on a respectivement pour un NPN & un PNP :

Le collecteur (C) sert de support et est en connexion directe avec le boîtier (si métallique), on y dope une cavité pour y placer la base (B), et dans cette base on dope une deuxième cavité pour former l'émetteur (E).

Symboles et boîtiers

Symbole du NPN (la flèche va de B vers E) et du NPN avec radiateur :

Symbole du PNP (la flèche va de E vers B) et du PNP avec radiateur :

Les boîtiers : TO18, TO39, TO92, TO220 (radiateur), TO247 (radiateur), TO3 (radiateur)...

Le brochage est standardisé (sauf pour le TO92) et est identique pour les NPN et les PNP, vue de dessus :

ATTENTION :
1) pour le boîtier plastique TO92, le brochage varie d'un modèle à l'autre (voir le datasheet) !!!
2) pour les boîtiers métalliques (TO3, TO18, TO39, TO220, TO247), le boîtier est relié au collecteur : attention aux courts-circuits si les boîtiers se touchent !
3) pour les montages sur radiateur des TO3, TO247 et TO220, il faut isoler le boîtier (collecteur) du radiateur avec une plaquette de mica (et ajouter de la pâte thermique sur les 2 faces du mica).

Explication très simplifiée du fonctionnement

Le principe de base du transistor bipolaire repose sur deux jonctions PN : la jonction base-émetteur BE et la jonction base-collecteur BC. Nous avons vu (théorie de la diode), que la mise en contact de P & de N crée une zone d'appauvrissement. Dans le cas du transistor bipolaire la base est peu épaisse et les 2 zones d'appauvrissement sont tellement proches qu'elles s'influencent l'une l'autre.
Pour faire fonctionner le transistor, on rend la jonction BE passante avec un petit courant de base, et on met la jonction BC en polarisation inverse, cette jonction devrait être bloquante, or, on constate un grand courant de fuite entre C et E : le passage d'un petit courant de base permet de contrôler un grand courant de fuite du collecteur, c'est l'effet amplificateur de courant du transistor bipolaire !

Essai de fonctionnement avec un NPN :
Sur le montage suivant, on va successivement mettre Vin à 0V, 1V et 12V en mesurant à chaque fois Vb et Vc :

Si Vin = 0V	Si Vin = 1V	Si Vin = 12V
On mesure : Vb = 0V Vc = 12V	On mesure : Vb = 0.6V Vc = 10V	On mesure : Vb = 0.8V Vc = 0.3V
Explication : Les jonctions BE et BC sont toutes les deux bloquées. Aucun courant ne circule dans le transistor. Il n'y a pas de chute de tension dans Rc.	Explication : La jonctions BE est passante et un petit courant passe de la base vers l'émetteur. De par la géométrie du transistor, son dopage et la tension du collecteur, les électrons injectés dans l'émetteur ont une probabilité plusieurs centaines de fois plus grande d'être captés par le collecteur avant leur arrivée à la base. Pour recueillir un électron sur la base, il a fallu en injecter 501 dans l'émetteur, les 500 autres se sont fait happer par le collecteur... Par ce phénomène, la jonction BC n'est pas bloquée, mais elle présente un courant de fuite 500 fois supérieur au courant de base. Le petit courant de base engendre un grand courant de collecteur. Ce courant de collecteur engendre une chute de tension dans Rc.	Explication : À cause de la chute de tension dans Rc, la tension de collecteur descend sous celle de la base. La jonction BE est passante et la jonction BC commence aussi à être passante : rien ne s'oppose au passage du courant. Le transistor se comporte comme un court-circuit.
Le transistor est bloquant. La liaison CE se comporte comme un interrupteur ouvert.	Le transistor est passant. La liaison CE se comporte comme une source de courant pilotée par le courant de base. Ic = β * Ib	Le transistor est saturé. La liaison CE se comporte comme un interrupteur fermé.

Essai de fonctionnement avec un PNP :
Sur le montage suivant, on va successivement mettre Vin à 12V, 11V et 0V en mesurant à chaque fois Vb et Vc :

Si Vin = 12V	Si Vin = 11V	Si Vin = 0V
On mesure : Vb = 12V Vc = 0V	On mesure : Vb = 11.4V Vc = 2V	On mesure : Vb = 11.2V Vc = 11.7V
Explication : Les jonctions BE et BC sont toutes les deux bloquées. Aucun courant ne circule dans le transistor. Il n'y a pas de chute de tension dans Rc.	Explication : La jonctions BE est passante et un petit courant passe de l'émetteur vers la base. De par la géométrie du transistor, son dopage et la tension du collecteur, les trous injectés dans l'émetteur ont une probabilité plusieurs centaines de fois plus grande d'être captés par le collecteur avant leur arrivée à la base. Pour recueillir un trou sur la base, il a fallu en injecter 501 dans l'émetteur, les 500 autres se sont fait happer par le collecteur... Par ce phénomène, la jonction BC n'est pas bloquée, mais elle présente un courant de fuite 500 fois supérieur au courant de base. Le petit courant de base engendre un grand courant de collecteur. Ce courant de collecteur engendre une chute de tension dans Rc.	Explication : À cause de la chute de tension dans Rc, la tension de collecteur monte au-dessus de celle de la base. La jonction BE est passante et la jonction BC commence aussi à être passante : rien ne s'oppose au passage du courant. Le transistor se comporte comme un court-circuit.
Le transistor est bloquant. La liaison CE se comporte comme un interrupteur ouvert.	Le transistor est passant. La liaison CE se comporte comme une source de courant pilotée par le courant de base. Ic = β * Ib	Le transistor est saturé. La liaison CE se comporte comme un interrupteur fermé.

Saturation des transistors bipolaires
Dans la pratique, les transistors permettent de piloter le courant à travers une charge. Cette charge peut être placée en série avec l'E ou le C. Dans ces deux cas, plus le courant dans la charge augmente, plus les tensions de C et d'E se rapprochent. Lorsque ces deux tensions sont égales, le transistor correspond à un court-circuit, il ne peut pas faire plus (se rappeler qu'il contrôle un courant de fuite), il est donc incapable d'encore augmenter Ic même si on augmente Ib. La relation " Ic = β * Ib " n'est alors plus respectée car Ic "plafonne" : on dit que le transistor SATURE.

Les transistors NPN & PNP sont "complémentaires"

Les transistors ne peuvent faire passer le courant que dans un seul sens.

Dans un NPN :
Le courant de base va de la base vers l'émetteur.
Le courant de collecteur va du collecteur vers l'émetteur.

Dans un PNP :
Le courant de base va de l'émetteur vers la base.
Le courant de collecteur va de l'émetteur vers le collecteur.

Pour réaliser un signal alternatif par exemple avec un montage push-pull, nous auront besoin d'un NPN et d'un PNP : le NPN réalise l'alternance positive du signal et le PNP réalise l'alternance négative ; ils fonctionnent en complément l'un de l'autre.

Les trois modes de fonctionnement
Par convention le courant de base "Ib" & le courant de collecteur "Ic" sont positifs s'ils entrent dans le transistor; et le courant d'émetteur "Ie" est positif s'il sort du transistor.

Synthèse des trois modes de fonctionnement: Bloquant, Passant & Saturé

Types / Modes	Bloquant	Passant	Passant saturé
NPN	Si Ib = 0 (ou Vbe < 0.4V) alors Ic = 0 Ie=0	Si Ib > 0 et que Vce >> 0.3V alors Vbe = 0.5V à 0.7V Ic = β * Ib Ie = Ic + Ib = (β+1) * Ib	Avec Icmax = Vcc / Rcharge Si Ib >> Icmax / β alors Vbe = 0.7V à 0.8V Vce = 0.2V à 0.3V Ic = (Vcc-Vce) / Rcharge Ie = Ic + Ib
PNP	Si Ib = 0 (ou Vbe > -0.4V) alors Ic = 0 Ie=0	Si Ib < 0 et que Vce << -0.3V alors Vbe = -0.5V à -0.7V Ic = β * Ib Ie = Ic + Ib = (β+1) * Ib	Avec Icmax = - Vcc / Rcharge Si Ib << Icmax / β alors Vbe = -0.7V à -0.8V Vce = - 0.2V à -0.3V Ic = (-Vcc+Vce) / Rcharge Ie = Ic + Ib

NB : les tensions Vbe et Vce de saturation sont celles d'un transistor au silicium...

Méthode d'analyse de circuits à transistors bipolaire

Considérer la jonction BE comme une diode :

Si la jonction BE est bloquante
        Alors le transistor est bloquant
Sinon
        Si Icmax n'est pas atteint
                Alors le transistor est passant et Ic = β * Ib
        Sinon
                le transistor est passant saturé et Vce = +/-0.2V

Caractéristiques des transistors bipolaires

Son type : NPN ou PNP

Le courant de collecteur maximum pour ne pas le griller : I_cmax de 100mA à 10A

Sa tension de claquage : V_cemax de 30V à 100V

Son gain : β ou h_FE de 15 à 600

Sa rapidité :
    soit sa capacité de sortie (base-collecteur) : C_obo de 4pF à 70pF
    soit son temps de commutation t_on & t_off de 20ns à 600ns
    soit sa bande passante : f_T de 3MHz à 300MHz

La puissanceque peut dissiper son boîtier (+ radiateur) : P_D de 625mW à 65W
    car il y a un échauffement par effet Joule dans le transistor : P = Vce * Ic     (en W)

NB :
1) Les transistors basses tensions et petits courants (base plus fine) sont généralement plus performants (plus rapides et meilleur gain) que les transistors hautes tensions et/ou à grands courants.
2) À tension et courant maximum équivalents, les NPN sont plus performants (plus rapides et meilleur gain) que les PNP (car la mobilité des trous du P est deux fois plus faible que la mobilité des électrons du N).

NB : les ordres de grandeurs correspondent aux transistors du labo, il y a d'autres modèles plus puissants, ou plus rapide, ou pouvant travailler à plus haute tension...

Comment tester les transistors bipolaires

Reconnaissance du type NPN ou PNP en test diode, mais impossible de distinguer comme ça E et C.

Mesurer ensuite Hfe (β) : deux possibilités, la position donnant le Hfe le plus élevé permet de distinguer E et C.

Ou testeur de composants.

Auteur : Philippot Marc - 01/01/2021