Analyse du transistor bipolaire : son fonctionnement et ses applications

Le transistor bipolaire est constitué de trois régions ou couches distinctes. Par exemple, il peut comporter une région de matériau de type n située entre deux régions de matériau de type p, ce qui le qualifie de transistor PNP. De même, il peut posséder une région de type p flanquée de deux régions de type n de part et d’autre, ce qui le désigne comme un transistor NPN.

Exemples :

1. Dans un transistor PNP, la région centrale est de type n, tandis que les régions externes sont de type p.

2. Un transistor NPN est caractérisé par une région de type p entourée de deux régions de type n.

3. Les transistors PNP sont couramment utilisés dans les amplificateurs audio.

4. Les transistors NPN sont essentiels dans la conception des circuits logiques numériques.

Compositions des transistors bipolaire

Dans le cadre de ce cours, nous explorerons en détail l’étude du transistor à jonction bipolaire, communément désigné par l’acronyme BJT, qui signifie Bipolar Junction Transistor en anglais. L’appellation “bipolaire” découle du fait que la conduction du courant électrique implique les deux types de porteurs de charge, à savoir les électrons et les trous, dans le fonctionnement de ce dispositif.

Le terme “jonction” est également d’une grande importance, car il fait référence à la structure fondamentale de cet appareil. Comme nous l’examinerons plus en profondeur, le transistor à jonction bipolaire est composé de deux jonctions pn distinctes.En polarisant correctement ces jonctions, nous contrôlons efficacement ce composant essentiel. Cette capacité à manipuler les jonctions pn est au cœur de l’opération et de l’utilisation efficace des transistors bipolaires dans une variété d’applications électroniques.

Zone centrale

On appelle la zone centrale “base”, tandis que les zones latérales sont appelées “émetteur” et “collecteur”. Chaque zone a une borne correspondante pour extraire les courants, et on les identifie par la première lettre du nom de la zone respective : Et pour l’émetteur, B pour la base, et C pour le collecteur.

Zone émettrice

La zone émettrice est la plus densément dopée parmi les trois. C’est la zone chargée de “émettre” ou d’injecter des porteurs majoritaires vers la base, que ce soient des trous dans le cas d’un transistor PNP ou des électrons dans le cas d’un transistor NPN.

La base à un niveau de dopage nettement inférieur à celui de la zone émettrice.

C’est une zone d’une épaisseur bien inférieure à celle des couches externes. Votre mission est la laisser passer le maximum de porteurs injectés par l’émetteur vers le collecteur.

L’espace collecteur, comme son nom l’indique, est chargé de collecter ou

“récupérer” les porteurs qui injectés par l’émetteur ont pu traverser la base. C’est la zone avec un niveau de dopage inférieur des trois.

Fonctionnement d’un transistor bipolaire

Le transistor exécute diverses fonctions, selon son utilisation, qu’on peut répartir en deux catégories principales : les fonctions analogiques et les fonctions logiques.

Fonctions Analogiques 

1. Transformation de Signaux : Le transistor est utilisé pour effectuer des transformations linéaires sur des signaux, telles que la redressement ou la modulation, afin de garantir la bonne transmission d’informations.

2. Amplification : L’amplification, une fonction linéaire particulière, permet d’accroître l’amplitude de signaux faibles, ce qui est essentiel pour améliorer la qualité des signaux.

3. Production de Puissance : Les transistors sont également utilisés pour générer de la puissance, permettant ainsi de transporter rapidement des signaux ou de les convertir en d’autres formes d’énergie, telles que la lumière, le son, ou le mouvement mécanique.

 Fonctions Logiques 

1. Circuits Combinatoires  : Les transistors sont au cœur des circuits combinatoires, qui servent de base aux opérations de calcul numérique. Ils effectuent des opérations logiques sur les signaux en entrée pour produire des résultats numériques.

2. Circuits Séquentiels: Les transistors sont utilisés dans les circuits séquentiels, qui sont à la base des automates et des systèmes d’état. Ils permettent d’exploiter la notion d’état, ce qui facilite l’implémentation d’algorithmes de calcul dans des circuits intégrés en silicium.

3. Mémorisation de Donnée : Les transistors sont cruciaux dans la fonction de mémorisation des données, que ce soit dans la mémoire vive (RAM) ou dans la mémoire de stockage (comme les disques SSD). Ils retiennent les données sous forme binaire, permettant le stockage et la récupération d’informations.

Illustration : Imaginez que le transistor soit un outil polyvalent qui peut servir à la fois de pince pour ajuster des signaux de petite taille, de transformateur pour convertir des signaux d’un format à un autre, de bloc de calcul numérique pour effectuer des opérations mathématiques, et de mémoire pour conserver des informations pour un usage ultérieur. Il agit différemment en fonction de la tâche à accomplir.

Principes d’un transistor bipolaire

Le courant Js est principalement déterminé par l’introduction des porteurs minoritaires.

Dans une jonction p+ – n, le courant est influencé par les trous, et son principal facteur déterminant est l’injection de trous dans la région n.

Le transistor bipolaire: Gain de courant

Mode de fonctionnement standard

Dans ce mode de fonctionnement normal, nous pouvons observer les courants suivants :

– IEp : Courant de trous provenant de l’émetteur

– ICp : Courant de trous collectés par le collecteur

– IEn : Courant d’électrons se dirigeant vers l’émetteur depuis la base

– ICn : Courant d’électrons venant du collecteur par activation thermique

Le courant IBB est constitué d’électrons de la base qui compensent les électrons qui se sont recombinés avec les trous provenant de l’émetteur (IBB = IEp – ICp).

 (b) : Pour Veb nul et Vcb nul, Ie représente le courant d’une jonction p-n polarisée par Veb. Il peut être calculé selon l’équation :

Ie = Is1 * exp(qVeb / (kB * T) – 1)

Ie se divise entre la base et le collecteur. Lorsque la base est étroite, les porteurs de charge ont tendance à être captés préférentiellement par le champ de la jonction base-collecteur. Une petite partie de ces porteurs se recombinera, contribuant ainsi au courant de base. On peut exprimer le courant de collecteur Ic comme suit :

Ic = β * Ie

où β représente le gain en courant direct lorsque la tension collecteur-base est nulle.

(c) : Lorsque Veb = 0 et Vcb nul, nous entrons dans le régime inverse par rapport à ce qui a été précédemment décrit. Ic représente le courant d’une jonction p-n polarisée par Vcb. De même, Ic se partage entre la base et l’émetteur. On peut exprimer le gain de courant inverse, noté par 𝜷i, comme suit. En raison des profils de dopage asymétriques, 𝜷i est considérablement éloigné de 1, contrairement à 𝜷 en courant direct :

Ic = (Is / 2) * exp(qVcb / (kB * T) – 1)

Ie = 𝜷i * Ic

Ic = 𝜷i * (Is / 2) * exp(qVcb / (kB * T) – 1)

Le transistor bipolaire présente plusieurs avantages, notamment :

– Capacité à gérer des courants élevés, ce qui le rend adapté pour les étages de sortie de puissance.

– Capacité à opérer rapidement dans les circuits logiques ultra-rapides.

– Réduction du bruit, ce qui le rend idéal pour les préamplificateurs Hi-Fi.

– Linéarité, ce qui signifie qu’il peut effectuer des transformations linéaires précises des signaux.

– Faible tension de fonctionnement, ce qui le rend efficace sur le plan énergétique.