Les transistors

Le mot transistor (appelé aussi Bipolar Junction Transistor BJT) provient de l'abréviation du terme Transfer resIstsor (mot à l'origine anglaise), inventé en 1948 par les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, trois chercheurs des laboratoires Bell. Ce composant a été nommé, historiquement, diode à double base, transistor bipolaire à jonctions ou le transistor à jonction. Il est aussi nommé, appelé dans certains documents techniques, chez certains fournisseurs; semiconducteur triode, surface states triode, cristal triode, Iolation Surface (photos ci-dessous de transistors par benm sur Freeimages)

Ce terme, le transistor, nous fait toujours penser aux anciens radio à base de transistor à tubes d'autrefois (les tubes, des anciens composant électronique actif qui ne son plus utilisés aujourd'hui en vue leur taille, étaient généralement utilisés pour amplifier le signal radio, audio, ...).

Nous retrouvons dans le domaine de l'électronique trois types de transistors telles que :

• le transistor bipolaire (ce que nous détaillons dans cet article): composé de deux couches de substrat de semi-conducteurs dont le dopage est le même. On peut représenter cette succession de couches par N-P-N et P-N-P. Le fonctionnement du transistor bipolaire repose sur deux connexions, l'une directe et l'autre indirecte.
• le transistor à effet de champ et le transistor MOS : Le transistor à effet de champ (FET) est un type de transistor qui fonctionne grâce à un effet de champ. Dans ce mode de fonctionnement, le signal électrique est contrôlé par un champ électrique, plutôt que transmis directement. On peut distinguer deux grandes catégories de transistors: les MOSFET et les FET. Ces deux types de transistors à effet de champ diffèrent par leurs caractéristiques structurelles. Les transistors MOSFET sont composés de métal, d'oxyde et de semi-conducteur, tandis que les transistors FET sont constitués d'un canal.

Le transistor est bien plus qu'un composant électronique. Très utilisé de nos jours dans les circuits électroniques que nous retrouvons dans presque tous les objets du quotidien, il est l'un des piliers de la nouvelle technologie numérique depuis quelques décennies. Son impact sur notre vie moderne et notre vie quotidienne est tel qu'on le retrouve partout.

C'est quoi un transistor ?

Un transistor est un composant électrique de taille généralement petite. Il sert généralement à amplifier un signal électrique ainsi qu'à moduler et à redresser les signaux électriques. Le transistor a également envahi l'univers de l'électronique numérique et est, depuis des décennies, l'élément le plus petit des circuits intégrés numériques, depuis l'invention des premières cellules logiques.

Il est constitué d’une superposition de trois couches semi-conductrices dans lesquelles on crée deux jonctions de type :

• NPN (appelé aussi N-P-N),
• PNP (appelé aussi P-N-P).

avec :

• la couche N est une couche semi-conducteur de type N
• la couche P est une couche semi-conducteur de type P

Pour précision, ces deux semi-conducteurs proviennent d'un même cristal ou de la matière. Le schéma ci-dessous explique cette différence de jonctions entre NPN  et PNP:

Jonction NPN	Jonction PNP

Symbole d'un transistor

Puisqu'un transistor est principalement constitué de trois couches semi-conductrices superposées, sa forme rappelle dans une partie celle de la diode avec sa flèche (sens de passage du courant électrique). Ce composant est doté de trois connexions : la base, le collecteur et l'émetteur.

Transistor NPN	Transistor PNP

Principe de fonctionnement

Le montage le plus simple pour commencer en électronique avec un transistor est celui d'un amplificateur de courant, continu ou variable dans le temps. Comme nous le remarquons, dans le schéma ci-dessous, la mise en commun de l'émetteur entre les des deux sous-parties de ce montage, soit entre le sous-étage entrée et le sous-étage sortie par rapport au transistor (de type NPN) :

Et pour caractériser le transistor, d'après ce montage, nous pouvons écrire ces six variables suivantes :

• \( I_{E}, I_{C} \) et \( I_{B} \)
• \( U_{be}, U_{cb} \) et \( U_{CE} \)

et si nous appliquons la théorie de la conservation des charges, nous pouvons aussi écrire les deux équations suivantes :

• \( I_{E} = I_{B} + I_{C} \)
• \( U_{CE} = U_{BE} + U_{CB} \)

A noter aussi qu'en fonction du régime de fonctionnement du transistor, de sa zone d'amplification dans le cas d'un régime actif, le courant \( I_{E} \) varie en fonction de la valeur du courant à la base du transistor \( I_{B} \) ainsi que la tension \( U_{CE} \) varie en fonction de la tension entre la base et l'émetteur \( U_{BE} \).

Les trois montages fondamentaux du transistor

En plus de ce premier montage à émetteur en commun, il existe deux autres montages possibles pour le même transistor, soit au total trois montages fondamentaux possibles tels que :

• le montage avec l'émetteur en commun (comme présenté ci-dessous). Ce montage permet d'obtenir un gain en tension important. Ci-dessous une solution plus avancée de ce montage :

L'entrée à cet étage d'amplification se fait sur la base et la sortie sur le collecteur. L'impédance d'entrée \(Z_{e}\) dépend des deux valeurs \(R_{1}\) et \(R_{2}\) et elle est généralement de quelques kΩ. Celle de la sortie est proportionnelle à la charge appliquée à la sortie de l'étage. Ce montage est souvent utilisé en basses fréquences et le gain d'amplification de cet étage est considérable.

• le montage avec collecteur en commun : ce montage ne permet pas un gain d'amplification considérable. Il est généralement proche de la valeur 1. Par contre, ce montage permet l'adaptation d'impédance entre deux étages dans notre circuit électronique puisqu'il se caractérise par une impédance d'entrée \( Z_{e} \) grande et une impédance de sortie faible \( Z_{s} \) ce qui permet une adaptation d'impédance (\( Z_{s} \ll Z_{e} \) )

• et le montage avec la base en commun : Peu utilisé dans les montages électroniques, ce montage fait l'objet d'une attention particulière pour les montages à haute fréquence. Il permet un gain d'amplification en tension considérable; proche de la valeur \( V_{EC} \) et se caractérise également par une faible impédance à l'entrée \(Z_{e}\) et une impédance importante à la sortie \(Z_{s}\) : ce phénomène est connu sous l'effet Miller.

Les régimes de fonctionnement d'un transistor

Un transistor dispose de 3 régimes de fonctionnements. Ce régime dépend principalement de la différence de potentiel appliqué entre l'émetteur et la base telle que :

• le régime bloqué : la valeur \( U_{BE} \) est inférieur à \( V_{BE} \) ( \( V_{BE} \) est une caractéristique du transistor. Cette valeur est fournie par le fabriquant) 
• le régime actif : la valeur \( U_{BE} \) est supérieure à \( V_{BE} \) ainsi que \( U_{CE} \) est inférieur à \( E_{C} \). Ce régime est caractérisé par la constante β, qui représente la composante d'amplification caractéristique d'un transistor (on l'appelle aussi « gain »). Elle varie d'une dizaine pour les petits transistors à quelques dizaines pour les transistors de puissance. Ainsi, pour tout transistor, le courant de collecteur augmente proportionnellement au courant de base telle que : \[ I_{C}=\beta \; I_{B} \] En ajustant la valeur du courant à l'entrée \( I_{B}= 0 \), le transistor peut basculer vers les deux autres régimes tel que:
  • Si \( I_{B}= 0 \) alors \(I_{C}=0 \): pour ce cas de figure, il faut que la maille à l'entrée soit ouverte. Ce cas est aussi appelé régime bloqué. Soit l'équivalent d'un interrupteur ouvert entre le collecteur et l'émetteur.
  • Si \( I_{B}\neq 0 \) alors \(I_{C} \neq 0 \): pour ce cas de figure, la maille à l'entrée est fermée. Ce cas est aussi appelé régime passant ou saturé. Soit l'équivalent d'un interrupteur fermé entre le collecteur et l'émetteur.
• le régime saturé : le courant \( I_{B} \)  devient important, ce qui bloque la tension de la jonction \(CE \)  à  \( U_{CE} \backsimeq E_{C} \) 

Caractéristiques techniques d'un transistor

Un transistor se caractérise généralement par les différentes valeurs limites à respecter entre ses 3 bornes: base, émetteur et collecteur telles que:

comme exemple, nous pouvons prendre le transistor NPN 2N2222, une référence trop utilisée en électronique de petit taille (type de boitier : TO-18, fabriqué par plusieurs fabriquants de composants électroniques). Ces paramètres caractéristiques les plus importants sont les suivants :

Et comme un deuxième exemple, le transistor de puissance 2N6277 de type NPN aussi, utilisé dans les conceptions électroniques ayant des puissances assez importantes (type de boitier : TO-3, et fabriqué aussi par plusieurs fabriquants de composants électroniques). Ces paramètres caractéristiques les plus importants sont les suivants :

• \( V_{EB max} = 6V \)
• \( V_{CE max}  = 150V \)
• \( V_{CB max}  = 180V \)
• \( I_{C} \ = 50A \)
• \( I_{B} \ = 20A \)

Un premier exemple d'application

La logique binaire : la porte logique NON

Pour découvrir les transistors, nous pouvons étudier dans un premier temps le montage inverseur logique électronique; soit l'équivalent d'une porte logique NON, reposant sur un transistor NPN de référence BC547 :

Le transistor NPN BC547 est utilisé dans ce circuit comme un interrupteur inverseur. Lorsque le signal carré généré par la source PULSE est à son niveau haut, la valeur de la tension V_CE est égale à 0V. Et lorsque la tension de cette même source est à son niveau bas, soit 0V, la valeur de la tension V_CE proche de 5V. Ce qui nous mène à réaliser une fonction logique NON, appelée aussi NOT en anglais, à base d'un transistor NPN, deux résistances \(R_B \) et \(R_C \) et une source d'alimentation en 5V continu. Les deux traces ci-dessous nous résument cela; la courbe en bas représente le signal PULSE injecté dans la base du transistor et la courbe en haut représente la valeur V_CE mesurée :

Ce montage est souvent utilisé dans les appareils électroménagers, les systèmes électroniques intelligents ainsi que dans la commande de certains relais électriques, la domotique et la robotique. Ce qui permet de réaliser un inverseur de tension logique à base d'un simple transistor à faible puissance.

Le projet créé sous LTspice : la porte logique NON Pour tester ce premier exemple, nous vous invitons à télécharger les fichiers du projet, réalisés sous la solution Ltspice, depuis l’adresse Github ElectroRobot indiquée ci-dessous, puis à effectuer la simulation sur votre propre ordinateur : https://github.com/ElectroRobot/le-transistor/tree/main/fonction-logique-NON