Les transistors
Le transistor est le composant électronique de base qui a permis la révolution technologique et numérique actuelle. C'est grâce au transistor que nous vivons aujourd'hui une ère numérique et révolutionnaire. Ce composant est aujourd'hui partout; dans les portes logiques, les circuits intégrés, les microcontrôleurs, les microprocesseurs, etc.
Le mot transistor est un terme d'origine anglaise provenant de l'abréviation du terme Transfer Resistor. Imaginé en 1948 par John R. Pierce aux laboratoires Bell, où ce composant a été inventé fin 1947 par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain. Ce terme englobe les transistors bipolaires (BJT, pour Bipolar Junction Transistor) et les transistors à effet de champ (FET, pour Field-Effect Transistor).
Historiquement, ce composant a été appelé transistor bipolaire à jonction (ou simplement transistor à jonction). Dans les premiers documents techniques et chez certains constructeurs, on le retrouve sous différentes autres dénominations telles que semi-conducteur triode, triode à états de surface (surface states triode), triode à cristal (ou cristal triode) et transistor à barrière de surface (photos ci-dessous de transistors par benm sur Freeimages).
Ce terme, le transistor, nous fait toujours penser aux anciens postes radio à tubes d'autrefois (les tubes, d'anciens composants électroniques actifs, qui sont peu utilisés aujourd'hui en raison de leur taille, étaient autrefois utilisés pour amplifier le signal électrique, radio, audio, etc).
Nous retrouvons dans le domaine de l'électronique trois types de transistors tels que :
- le transistor bipolaire (ce que nous détaillons dans cet article): composé de trois couches de substrat de semi-conducteurs dont les régions présentent des types et des niveaux de dopage différents. 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 (FET) : ce type de transistor fonctionne grâce à un effet de champ. En effet, son signal électrique est contrôlé par un champ électrique, plutôt que transmis directement. On peut distinguer deux grandes catégories de transistors: les MOSFET (pour Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) et les JFET (pour l'abréviation Junction Field-Effect Transistor). Ces deux types de transistors à effet de champ diffèrent par leurs caractéristiques structurelles. Les transistors MOSFET comportent une grille isolée par une couche d'oxyde, tandis que dans les transistors JFET, la grille forme une jonction P-N directe avec le canal semi-conducteur.
- le transistor IGBT : une version particulière du transistor qui combine certaines caractéristiques du BJT et du MOSFET. Ce type est utilisé principalement dans les systèmes de puissance.
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.
Qu'est-ce qu'un transistor ?
Un transistor est un composant électronique de taille généralement petite. Il sert généralement à amplifier les signaux électriques et à fonctionner comme un interrupteur électronique. Il est également utilisé dans de nombreuses applications de traitement des signaux, notamment la modulation et la commutation. Ce composant a également envahi l'univers de l'électronique numérique et il est l'élément le plus petit des circuits intégrés, depuis l'invention des premières cellules logiques.
Il est constitué d’une superposition de trois couches semi-conductrices créant deux jonctions P-N, selon deux configurations possibles :
- NPN (appelé aussi N-P-N) : une couche P centrale entre deux couches N,
- PNP (appelé aussi P-N-P) : une couche N centrale entre deux couches P.
avec :
- la couche N possède un excès d'électrons libres (dopage N), et,
- la couche P présente un déficit d'électrons, appelé trous (dopage P).
Pour précision, ces deux zones semi-conductrices proviennent d'un même cristal (ou du même matériau). Le schéma ci-dessous explique cette différence de jonctions entre NPN et PNP:
| Jonction NPN | Jonction PNP |
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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 |
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Caractériser un transistor
Pour caractériser un transistor, nous devons déterminer ses principales propriétés électriques, dont principalement les différents courants $I_E$, $I_C$ et $I_B$ qui circulent dans ce composant ainsi que les différentes tensions présentes $U_{BE}, U_{CB}$ et $U_{CE}$ présentes à ses bornes ainsi que son gain $\beta$.
Les courants dans un transistor :
Pour un transistor, vous pouvez écrire les 3 courants électriques suivants :
- $I_B$ : représente le petit courant de commande de base,
- $I_C$ : est le courant principal du transistor,
- $I_E$ : représente le courant total, égal à $I_B + I_C$.
Les tensions mesurées aux bornes d'un transistor
De la même manière que nous avons écrit les différents courants électriques aux bornes d'un transistor, nous pouvons mesurer ces différentes tensions électriques :
- $U_{BE}$ : représente la tension entre la base et l'émetteur,
- $U_{CB}$ : représente la tension entre le collecteur et la base,
- $U_{CE}$ : représente la tension entre le collecteur et l'émetteur.
Le gain du transistor
Désigné par la lettre grecque $\beta$, le gain du transistor indique la capacité à amplifier le courant. Il correspond au rapport entre le courant du collecteur $I_C$ et le courant de base $I_B$.
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À noter : Pour plus de détails, nous vous invitons à consulter notre cours portant sur la relation entre les différents courants dans un transistor : |
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 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 ce transistor, d'après ce montage et comme nous l'avons découvert dans la section "Caractériser un transistor", nous pouvons écrire les six variables suivantes :
- $I_E, I_C$ et $I_B$
- $U_{BE}, U_{CB}$ et $U_{CE}$
et en appliquant la théorie de la conservation des charges, nous pouvons aussi écrire les équations suivantes :
- $I_E = I_B + I_C$
- $U_{CE} = U_{CB} + U_{BE} = U_{BE} + U_{CB}$
À noter qu'en fonction du régime de fonctionnement du transistor, de sa zone d'amplification dans le cas d'un régime actif d'un BJT, le courant $I_C$ varie en fonction de la valeur du courant à la base du transistor $I_B$, tandis que la tension de sortie $U_{CE}$ dépend du courant $I_C$ et de la charge du circuit.
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 :
- 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 résistance du collecteur $R_C$. Ce montage est souvent utilisé en basses fréquences et le gain d'amplification de cet étage est considérable.
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Pour découvrir davantage le montage du transistor en émetteur à émetteur en commun, vous pouvez consulter notre cours : |
- le montage à 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 un 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 ($Z_s \ll Z_e$)
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Pour vous familiariser avec le montage du transistor en collecteur commun, vous pouvez consulter notre cours : |
- le montage à base commune : Peu utilisé dans les montages électroniques, ce montage fait l'objet d'une attention particulière pour les montages à haute fréquence. Il offre un gain en tension élevé (sans inversion de phase) et se caractérise également par une faible impédance à l'entrée $Z_e$ ainsi qu'une forte impédance à la sortie $Z_s$. L'absence d'effet Miller dans ce montage est l'atout majeur qui lui permet de conserver ses performances aux très hautes fréquences.
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Pour découvrir davantage le montage du transistor en base commune, vous pouvez consulter notre cours : |
Les régimes de fonctionnement d'un transistor
Un transistor dispose de trois régimes de fonctionnement. Ces régimes dépendent principalement de la différence de potentiel appliquée entre l'émetteur et la base tels que :
- le régime bloqué : la tension $U_{BE}$ est inférieure à la tension de seuil $V_{BE(on)}$ fournie par le fabricant dans la fiche technique du transistor. En l'absence de la tension suffisante sur la base, le courant $I_B$ est insuffisant et le transistor reste éteint ($I_C = 0$). Le transistor se comporte alors comme un interrupteur ouvert.
- le régime actif : la valeur $U_{BE}$ est supérieure ou égale à la tension de seuil $V_{BE(on)}$ (environ $0{,}7\text{ V}$) ainsi que $U_{CE}$ est supérieure à $U_{CE(sat)}$. Ce régime est caractérisé par la constante $\beta$ (ou $h_{FE}$), qui représente la composante d'amplification caractéristique d'un transistor (on l'appelle aussi « gain »). Elle varie d'une centaine pour les petits transistors à quelques dizaines pour les transistors de puissance, comme le 2N6277. Ainsi, pour tout transistor, le courant de collecteur augmente proportionnellement au courant de base selon la relation : $$I_{C}=\beta \; I_{B}$$
- le régime saturé : le courant $I_B$ devient suffisamment important pour que le courant de collecteur $I_C$ atteigne sa valeur maximale autorisée par le circuit. La relation $I_C = \beta \cdot I_B$ n'est plus vérifiée et la tension aux bornes de la jonction $CE$ chute à sa valeur de saturation ($U_{CE(sat)} \approx 0{,}1 \text{ à } 0{,}3\text{ V}$). Le transistor se comporte alors comme un interrupteur fermé.
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:- les différentes valeurs de tension maximales à respecter : $V_{BE}$, $V_{CE}$ et $V_{CB}$
- les courants admissibles maximaux aux bornes du collecteur et la base de ce composant : $I_B$ et $I_C$
- par la valeur d'amplification $\beta$
- D'autres paramètres, comme la dissipation thermique, la température de fonctionnement nominale, etc., voire même certaines courbes de réponse ou de fonctionnement, sont également à prendre en compte.
- $V_{(BR)EBO}=5\text{ V}$
- $V_{(BR)CEO}=30\text{ V}$
- $V_{(BR)CBO}=60\text{ V}$
- $I_{C max} \ = 600\text{ mA}$
Pour la même référence du transistor 2N2222, il existe une autre variante conditionnée dans un boîtier métallique de type TO-18, offrant une capacité supérieure en courant de collecteur maximale ($I_{C\text{ max}} = 800\text{ mA}$).
- $V_{EB max}=6\text{ V}$
- $V_{CE max}=150\text{ V}$
- $V_{CB max}=180\text{ V}$
- $I_{C} \ =50\text{ A}$
- $I_{B} \ =20\text{ A}$
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 VCE est égale à 0 V. Et lorsque la tension de cette même source est à son niveau bas, soit 0 V, la valeur de la tension VCE est proche de 5 V. Ce qui nous mène à réaliser une fonction logique NON, appelée aussi NOT en anglais, à l'aide d'un transistor NPN, de deux résistances $R_B$ et $R_C$ et d'une source d'alimentation en 5 V 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 VCE 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.
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Étage amplificateur à base d'un seul transistor NPN
Dans un deuxième exemple, nous allons découvrir le montage d'un étage d'amplification à base d'un transistor de la référence 2N2222, l'importance de son mode de fonctionnement actif dans un régime d'amplification d'un signal sinusoïdal injecté à sa base. Le schéma ci-dessous simulé sous la solution LTspice est un exemple intéressant à étudier ultérieurement :
Une fois la simulation terminée, nous pouvons visualiser les deux traces $V_{in}$ et $V_{out}$ sur le même graphique, c'est-à-dire avec la même échelle en volts pour les deux courbes. Comme nous le démontre la simulation ci-dessous, le signal $V_{out}$ présente une amplitude plus importante que celle du signal $V_{in}$ avec une inversion de phase :
Ce montage est donc un amplificateur inverseur à base d'un transistor avec un gain de -9.7, soit donc ≅ -10 fois.
En régime dynamique (signal alternatif), le gain en tension $A_v$ exprime le rapport entre la variation de la tension de sortie ($\Delta V_{out}$) et celle de l'entrée ($\Delta V_{in}$). Pour déterminer précisément le gain en tension alternatif $A_v$, nous mesurons l'amplitude des variations ($\Delta V$) directement sur les courbes :
- Signal d'entrée ($V_{in}$) : une variation de tension crête-à-crête mesurée à $\Delta V_{in} = -0{,}498\text{ V}$
- Signal de sortie ($V_{out}$) : une variation de tension correspondante mesurée à $\Delta V_{out} = +4{,}850\text{ V}$
En appliquant la formule du gain en régime dynamique :
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Aller encore plus loin : la porte logique NAND
Dans une activité de travaux dirigés proposée par Electro-Robot, nous vous invitons à réaliser une porte logique NAND à l'aide de deux transistors NPN de la référence 2N2222. Sous la solution LTspice, vous allez simuler, déterminer les différents états à la sortie du montage proposé et confirmer la table de vérité de la porte logique. Pour commencer, le lien permettant d’accéder à cette activité est indiqué ci-dessous :
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