Ch5 Presentation 1.1

FST Électronique Lineaire

H.Aissaoui Mars 2006 Chapitre 5 Page 1 de 34

CHAPITRE V TRANSISTORS BIPOLAIRES

LA THEORIE, LA CONSTRUCTION ET LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DESTRANSISTORS BIPOLAIRES

La constitution du transistor bipolaire

La définition du BJT

TRANSISTOR = TRANsfer + reSISTOR

Le mot transistor vient du fait

Transistor AMPLIFICATION PAR TRANSFERTD’un courant d’un circuit à faible résistance (Base-Émetteur)À un circuit à haute résistance (Base-Collecteur).

BJT = « Bipolar Jonction Transistor »TBJ = Transistor Bipolaire à Jonction

2 Types de transistor BJTBJT npnBJT pnp.


H.Aissaoui Ma

Le BJT, un élément à trois terminaux

Le BJT est un élément composé de semi-conducteurs à 3 couches (avec différent niveau de dopage). BJT npn 2 couches de n et 1 couche de p BJT pnp 2 couches de p et 1 couche de n.

Le BJT est un élément ou composant à trois électrodes ou terminaux.

La représentation schématique du BJT

BJT Type npn

Présence de 3 électrodes (E, B et

Largeur totale de E + B + C ~ 3.8Largeur de B ~ 25 m (~ 150 fo

~150 mil

rs 2006 Chapitre 5 Page 2

BJT Type pnp

C).

mm.is moins large que la largeur totale

~1 mil
~150 mil
de 34

).

~1 mil



La définition de l’émetteur, de la base et du collecteur

E = Émetteur, FORTEMENT DOPÉB = Base, LÉGÈREMENT DOPÉ et TRÈS ÉTROITEC = Collecteur, MOYENNEMENT DOPÉ(La plus large des régions car il dissipe plus de chaleur que le E et le B).

Le symbole du BJT et les conventions de courants et de tensions



[IE, I

C, I

B> 0] et [V

BE, V

CE> 0] [I

E, I

C, I

B> 0] et [V

EB, V

EC> 0]

BJT Type npn BJT Type pnp

La diode « Émetteur » et la diode « Collecteur »

npn

B

C

E

???

pnp

B

C

E

???

p

n

n

p

n

p

p

n

DiodeEmetteur

DiodeCollecteur

DiodeEmetteur

DiodeCollecteur

BJT vs 2 diodes discrètes dos à dos

1. Le transistor ressemble à 2 diodes discrètes montées dos à dos

• Diode Emetteur - Base: Diode Emetteur

• Diode Collecteur - Base: Diode Collecteur

2. Ce montage à diodes discrètes donne 4 régions dopées alors que

le transistor donne 3 régions avec B étroite entre E et C ???

Explication détaillée dans le fonctionnement et polarisation du transistor BJT



La construction physique du BJT

La représentation schématique du BJT facilite la compréhension de son fonctionnement mais lastructure physique planaire est un peu différente de la représentation schématique.

Vue en coupe « simplifiée » du BJT

E B C

n

pn

E B C

p

np

BJT npn BJT pnp

= Contact métallique

Vue en coupe « simplifiée » du BJT

E B C

n

pn

E B C

p

np

BJT npn BJT pnp

E B C

n

pn

E B C

p

np

BJT npn BJT pnp

= Contact métallique





Pour la fabrication des BJT, utilisation des procédés suivants

Formation du diélectrique (SiO2)

Photolithographie (Masques) Nettoyages des couches Diffusion p et n Métallisation et autres.

Le fonctionnement du BJT

Le transistor est formé de 3 semi-conducteurs avec 2 jonctions.La diode Émetteur peut être polarisée en directe ou inverse (2 possibilités).



La diode Collecteur peut être polarisée en directe ou inverse (2 possibilités).

Dans le fonctionnement du BJT nous pouvons avoir 4 possibilités de polarisation individuelle.Trois (3) de ces quatre (4) possibilités dictent les régimes ou zones de fonctionnement des BJT (Zonessaturée, bloquée et active).

Le BJT non polarisé

À la jonction diode « Émetteur » (Émetteur et Base) Une couche de déplétion

À la jonction diode « Collecteur » (Collecteur et Base) Une couche de déplétion

Le dopage de chaque semi-conducteur est différentLa largeur de chaque semi-conducteur est différente

Présence de 2 diodes 2 Zones ou couches de Déplétion Création d’ions + et – aux 2 jonctions Création de champ électrique aux 2 jonctions.



Le BJT polarisé

Les régimes ou zones de fonctionnement

L’opération d’un BJT peut être définie principalement dans 3 zones de fonctionnement. Prenonsl’exemple d’un BJT Type npn

-Zone Saturée Base - Émetteur POLARISATION DIRECTE

Un gros courant circule de la Base à l’Émetteur(Dus aux porteurs MAJORITAIRES)

Base - Collecteur POLARISATION DIRECTEUn gros courant circule de la Base au Collecteur(Dus aux porteurs MAJORITAIRES)



-Zone Bloquée Base - Émetteur POLARISATION INVERSE

Un très petit courant circule de la Base à l’Émetteur(Dus aux porteurs MINORITAIRES)

Base - Collecteur POLARISATION INVERSEUn très petit courant circule de la Base au Collecteur(Dus aux porteurs MINORITAIRES)

-Zone Active Base - Émetteur POLARISATION DIRECTE

Un gros courant circule dans l’Émetteur(Dus aux porteurs MAJORITAIRES)

Base - Collecteur POLARISATION INVERSE

Un gros courant circule dans le Collecteur ???La diode est polarisée inversement, alors comment le courant estgrand ??? Opération inattendue.



Le mécanisme des courants dans l’émetteur, la base et le collecteurNote npn (raisonnement avec électrons libres) est plus facile à comprendre.

BJT (exemple Type npn) fonctionnant dans la zone linéaire Base-Émetteur en polarisation directe Base-Collecteur en polarisation inverse V

CB< tension de claquage.

Lorsque la tension de polarisation directe Base - Émetteur est supérieure à 0.7 Volt (V o du Silicium), les

ÉLECTRONS LIBRES (Porteurs MAJORITAIRES) de l’Émetteur pénètrent dans région de la Base.De même les TROUS (Porteurs MAJORITAIRES) de la Base pénètrent dans l’Émetteur.

Les ÉLECTRONS LIBRES injectés dans la région de la Base deviennent des PorteursMINORITAIRES.

2 Chemins sont offerts aux ÉLECTRONS LIBRES



a. Vers le bas de la Base étroite, ensuite dans le terminal de la Baseb. À travers la jonction du Collecteur vers le Collecteur et son terminal.

A) Le dopage de la Base faible La Base présente une grande impédance.B) La largeur de la Base faible + diode « Collecteur » en polarisation inverse Les ÉLECTRONS LIBRES injectés seront attirés par le champ de la couche d’appauvrissement(Base-Collecteur) et seront COLLECTÉS dans le Collecteur.(Puisque le dopage et la largeur de la Base sont faibles, les ÉLECTRONS LIBRES injectés ont unedurée de vie assez grande pour qu’ils puissent diffuser dans la couche d’appauvrissement (Base-Émetteur)).

Donc le courant prendra principalement le chemin b, à travers le Collecteur vers la source. La majorité du courant entre le terminal du Collecteur, traverse la région de la Base et ressort duterminal de l’Émetteur (Type npn). Un petit courant entre le terminal de la Base, traverse la jonction Base - Émetteur et ressort duterminal de l’Émetteur (Type npn). Quelques ÉLECTRONS LIBRES vont remplir les TROUS(recombinaison) et vont devenir des ÉLECTRONS DE VALENCE et vont se déplacer (courant derecombinaison). Ce courant est petit car la Base est faiblement dopée.



BJT Type npn BJT Type pnp



La contribution des porteurs minoritaires et majoritaires

IC= I

C(Majoritaires) + I

CBO(Minoritaires).

95 à 99 % des ÉLECTRONS LIBRES sont collectés par le Collecteur. Seulement 5 à 1 % desÉLECTRONS LIBRES tombent dans les TROUS de la Base et passe à travers son terminal.

LKC IE= I

C+ I

B.

IB

de l’ordre de A et IC

de l’ordre de mA.

Les types d’opération des BJT

Les BJT sont des éléments à 3 terminaux et peuvent être utilisés comme des amplificateurs etinterrupteurs représentant la configuration d’un quadripôle 3 terminaux doivent être arrangés pour former un quadripôle Différentes configurations ou montages du BJT (à voir dans les sections prochaines).



Type d’opération

AMPLIFICATEUR

Amplification linéaire Le signal de sortie a la même fréquence que le signal d’entrée avec une amplitude plus grande.Pour le fonctionnement comme un amplificateur linéaire (Classe A) Polarisation dans la région ou zone active.

G (s) = v o (s) / v i (s)

Amplification non linéaire

Pour le fonctionnement comme un amplificateur non linéaire Polarisation dans la zone active, saturée et bloquée (Classe AB, B, C,…).

G (s)+

v i (s)

-

+

v o (s)

-



INTERRUPTEUR

Interrupteur Le circuit agit comme un interrupteur laissant passer le signal d’entrée ou le bloquer.

Pour le fonctionnement comme un interrupteur Polarisation dans la région ou zone saturée (ON) et bloquée (OFF).

Les amplificateurs (avec les paramètres importants)

Un amplificateur (quadripôle) peut être caractérisé par 4 paramètres importants

-Le gain de tension = A v =i

o

V

V=

i

o

v

v

-Le gain de courant = A i =i

o

I

I=

i

o

i

i(attention à la description de i o )

-L’impédance d’entrée = Z i =i

i

I

V

+

v i (s)

-

+

v o (s)

-



-L’impédance de sortie = Z o = o

o

I

VEntrée en court-circuit

NOTES TRÈS IMPORTANTE

*v o = i o .RL

et vi= i

i.R

i A

v= A

i

i

L

R

Rou A

i= A

vL

i

R

R

(R i = résistance d’entrée de l’ampli et RL= résistance de charge).

*Gain de puissance = Gain de courant.Gain de tension.Les interrupteurs

Un interrupteur (quadripôle) peut être dans l’état ON ou OFF.

Interrupteur ON (fermé) Interrupteur OFF (ouvert)Transistor Saturé Transistor Bloqué



LES CARACTÉRISTIQUES

Les configurations ou les montages du BJT

Tous ces composants sont montés avec un certain montage ou configuration nommée Configuration Émetteur Commun (CE) Configuration Base Commune (CB) Configuration Collecteur Commun (CC).

La configuration « Émetteur Commun » CE (la plus utilisée)

En DC

En AC



En AC

Tension d’entrée du côté de la Base Tension de sortie du côté du Collecteur Masse du côté de l’Émetteur

La configuration « Base Commune » CB

En AC Tension d’entrée du côté de l’Émetteur Tension de sortie du côté du Collecteur Masse du côté de la Base

En DC

En AC



Notes*Le circuit complet de polarisation et de couplage n’est pas montré.*Cette configuration est utilisée comme amplificateur ou interrupteur.

La configuration « Collecteur Commun » CC (rarement utilisée)

En AC Tension d’entrée du côté de la Base Tension de sortie du côté de l’Émetteur Masse du côté du Collecteur

Notes*Le circuit de polarisation et de couplage n’est pas montré.*Cette configuration est utilisée pour l’adaptation d’impédances et comme amplificateur decourant et de puissance.*Gain de puissance = Gain de tension .Gain de courant(TRÈS IMPORTANT)

En DC



Remarques*Chaque configuration a des caractéristiques différentes et est utilisée pour une applicationspécifique ou particulière.*Tableau de comparaison des configurations

Pas de gain(~1)

Fort(~200)

Fort(~- 200)

Gainde tension(Vo/Vi)

Fort(~200)

Pas de gain(~1)

Fort(~-200)

Gainde courant(Io/Ii)

NonApplicable

Moyenne(~40 mA/V)

Moyenne(~- 40 mA/V)

Trans-Conductance(Io/Vi)

Faible(~100 Ω)

Moyenne/Forte(~100KΩ)

Moyenne(~10 KΩ)

Résistancede sortie

Moyenne/Forte(~3 KΩ)

Faible(~30 Ω)

Moyenne(~ 3 KΩ)

Résistanced’entrée

CollecteurCommun (CC)

BaseCommune (CB)

ÉmetteurCommun (CE)

Paramètres



Notes*Attention à la définition du courant de sortie.*Les transistors sont commercialement identifiés avec un chiffre et une lettre 2N…. Lesdifférents types de boîtiers des transistors sont donnés à l’annexe. 2N3904 transistor de puissance npn 2N3906 transistor de puissance pnp complémentaire à 2N3904.*Les diodes sont identifiées par 1N…. 1N4148.

Les équations de courants du BJT (α, β, iB

, iC

et iE)

1. α

*α est le gain de courant en Base Commune (CB)

*CC

=EQ

CQ

I

I,

CC relie le courant du Collecteur au courant de l’Émetteur.

*AC

=e

c

i

i=

E

C

I

I

CB

V constant

Notes*Plus la Base et étroite et légèrement dopée, plus

CC se rapproche à 1.

*En pratiqueCC

~AC

= α

*En pratique la valeur deCC

est comprise entre 0.95 et 0.99

0.95 <CC

< 0.99.



2. β

* β est le gain de courant en Émetteur Commun (CE)

*CC

=BQ

CQ

I

I=

FEh ,

CC relie le courant du Collecteur au courant de la Base.

*AC

=b

c

i

i=

B

C

I

I

CE

V constant = feh (Dépend du point d’opération).

Notes*Dans le BJT Type npn, moins de 5 % (entre 1 et 5) d’ÉLECTRONS LIBRES injectés se

recombinent avec les TROUS de Base pour produire IB

CC

Min =%5

1= 20

*En pratiqueCC

~AC

= β ( FEh ~ feh )

*En pratique la valeur deCC

est comprise entre 50 et 500

50 <CC

< 500.

3. iB

, iC

et iE

*iC

~ I CS [exp (T

BE

V

v)]

*iE

~CSI

[exp (T

BE

V

v)] =

C

i

avec CSI

= I ES



*iB

~CSI

[exp (T

BE

V

v)] =

C

iavec

CSI

= I BS

IC= α I

E(Majoritaires) + I

CBO(Minoritaires)

IC= I

C(Majoritaires) + I

CBO(Minoritaires)

Notes*Lorsque I

E= 0 I

C= I

CBO

IE= I

C+ I

B I

C= α (I

C+ I

B) + I

CBO I

C=

)1(

IB

+

)1(

ICBO

C

I=

CI +

C

I

1= 1 +

1 α =

1

et =

)1(

IC=

BI +

)1(

ICBO



*Lorsque IB= 0 I

C=

)1(

ICBO

= CEOI

* IC=

BI + CEOI .

* CEOI ~ I CBO .

* TRÈS IMPORTANT IC~

BI

IE= ( )1 I

B~ I

C.

*v BE = V BE + v be (DC+AC).

*i C = I C +i c (DC+AC).



Les courbes courant – tension (d’entrée et de sortie) du BJT

1) Les caractéristiques entrée et sortieL’objectif

Savoir les relations qui existent entre Les tensions d’entrée et de sortie Les courants d’entrée et de sortie

Les caractéristiques d’entrée et de sortieCaractéristiques d’entréeRelation entre le courant d’entrée et la tension d’entrée pour différentes valeurs de tension desortie.Caractéristiques de sortieRelation entre le courant de sortie et la tension de sortie pour différentes valeurs de courantd’entrée.

2) Configuration Émetteur Commun (CE)





Caractéristiques de sortie (npn) Caractéristique d’entrée (npn)

Base Émetteur Polarisation directeBase Collecteur Polarisation inverse.Avec la courbe « caractéristiques de sortie » on peut calculer les valeurs de

CC et

AC .

ExempleCalculer

CC et

AC pour I

B= 25 A et V

CE= 7.5 Volts.



Pour un V CE donnée l’information deCC

est donnée sur la courbe.



Notes*Pour BJT Type npn

VBE

> 0

VCE

> 0

IC, I

Eet I

B> 0

*Pour BJT Type pnpV

EB> 0

VEC

> 0

IC, I

Eet I

B> 0

3) Configuration Base Commune (CB)



Caractéristiques de sortie (npn)



Pour un V CB donnée l’information deCC

est donnée sur la courbe.

Caractéristique d’entrée (npn)Avec la courbe « caractéristiques de sortie » on peut calculer les valeurs de

CC ~

AC = α à I

E= 3mA

et VCB

= 7.5 Volts

CC ~

AC = α =

E

C

I

I=

mA3

mA3= 1.


VBE

> 0



VCB

> 0

IC, I

Eet I

B> 0.

*Pour BJT Type pnpV

EB> 0

VBC

> 0

IC, I

Eet I

B> 0.

*La zone saturée VCB

< 0 (voir la caractéristique de sortie).

4) Configuration Collecteur Commun (CC) Émetteur-Suiveur



Pour la courbe « Caractéristiques de sortie », elle ressemble à celle de la configuration CE (npn) avec lecourant de sortie égal I

Eet la tension de sortie égale à V CE (le courant de contrôle est I

B).

Pour la courbe « Caractéristiques d’entrée », elle ne ressemble pas à celle de la configuration CE (npn).


V CB > 0

V CE > 0

IC, I

Eet I

B> 0.

*Pour BJT Type pnpV BC > 0

V EC > 0

IC, I

Eet I

B> 0.

*Cette configuration est un amplificateur de gain de courant ou de puissance.

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