Denis Gauthier, Lycée Bernard Palissy, 47000 Agen

Composant très important des circuits électroniques, sa découverte en 1948 par l'américain W. Shocckley a permis la réalisation d'appareils peu encombrants et fonctionnant avec peu d'énergie (piles). Nous étudions le transistor bipolaire, modèle le plus simple.

* Le transistor bipolaire est formé d'un monocristal semi-conducteur (silicium) dans lequel on a créé 3 zones de conductivité différentes par dopage (P ou N) à l'aide d'impuretés (voir Annexe du chapitre précédent). Ces 3 zones donnent deux jonctions PN très proches. La zone centrale, très mince (" 50 µm), constitue la base B ; les deux autres zones sont l'émetteur E et le collecteur C. Elles sont reliées à trois bornes extérieures.

* Il y a deux types de transistor, suivant que la base est dopée P ou N. Sur le symbole la flêche indique le sens passant de la jonction émetteur-base. Les deux jonctions sont toujours dissymétriques : NP et PN, pour le type NPN ; PN et NP, pour le type PNP.

On utilise un transistor NPN.

On réalise sur une plaquette les deux montages suivants.

Conclusion : A quel dipôle peut-on assimiler le dipôle BE ?

On réalise sur plaquette les deux montages suivants.

On réalise ce montage (le plus employé) sur une plaquette adaptée

On augmente doucement u_BE jusqu'à avoir I_b = 0,1 mA et on poursuit les mesures en faisant croitre I_b par 0,1 mA jusqu'à 1 mA. On passe ensuite à une progression par 1 mA jusqu'à 4 mA.

On trace sur papier millimétré (à la maison) et, avec le tableur EXCEL ou de SYNCHRONIE (au Lycée), les courbes, I_b= f (u_BE) et I_c = f (I_b).

La courbe I_b = f (u_BE) obtenue est analogue à la caractéristique i = f(u_AB) d'une diode silicium : le dipôle BE se comporte comme une diode ordinaire de tension seuil u_s " 0,6 V.

Quand I_b augmente, u_BE devient pratiquement constante à une valeur proche de u_s.

La courbe I_c = f(I_b) obtenue présente deux parties séparées par une partie de transition.

* 1ère partie :

I_c est fonction linéaire croissante de I_b avec I_c / I_b = cte = b ; à partir des points limites, on calcule , b =

* 2ème partie :

I_c " cte = I_c sat

Ces courbes sont simplifiées en négligeant les phases intermédiaires.

u_BE < u_s ; I_b = I_c = 0 ; u_CE = 6,0 V = E_c (f.e.m du générateur placé dans le circuit du collecteur)

u_BE " u_s ; I_c = b I_b ( b >> 1) ; I_e = I_b + I_c " I_c ; u_CE < E_c = 6,0 V

u_BE " u_s ; u_CE " 0 ; I_c = I_{c sat} = E_c / R_c = cte " 60 mA (générateur du collecteur, fermé sur R_c).

En conclusion deux modes de fonctionnement sont possibles pour le transistor.

* Mode tout ou rien :

domaines 1 et 3, le transistor fonctionne comme un interrupteur commandé par I_b donc par u_BE : I_b = 0, interrupteur ouvert ; I_b > I_{b sat}, interrupteur fermé.

* Mode amplificateur de courant :

domaine 2, I_c est proportionnel à I_b avec un coefficient élevé.

Pour l'explication microscopique de ces propriétés voir à la fin, ANNEXE.

* On se sert d'un ordinateur avec une carte CAN, PC MS3, qui présente 8 entrées. Dans ce montage, on utilise 5 entrées.

* Le GBF donne une tension en dents de scie assymétriques, de faible fréquence (f = 0, 066 Hz et T = 15 s), croissant lentement de -1 à 5 V et décroissant rapidement de 5 à - 1 V.

L'acquisition est déclenchée sur la voie 4, donnant u_G tension du GBF, à 0 croissant ; elle a une durée de 9 ms correspodant à la variation de u_G de 0 à 4 V.

* La voie 0 donne, u_DE = u₀ = R_bI_b + u_BE . La voie 1 -, u_EF = R_cI_c. La voie 2, u_BE . La voie 3, u_CE.

La feuille de calcul permet d'obtenir :

On fait afficher les caractéristiques dans des fenêtres différentes (voir document pages suivantes).

u_BE < u_s.

* Pour u_CE = 0, la migration des électrons libres de la zone N vers la zone P crée deux jonctions inverses, CB jonction NP et BE jonction PN.

* A chaque fois qu'on applique une tension u_CE positive ou négative, les deux jonctions étant inverses, il y en a toujours une dont la zone N est reliée à la borne + du générateur : cette jonction est polarisée en inverse (plus large et bloquée) et l'autre en direct. Dans chaque cas, I_c = 0.

* Pour u_CE > 0, la zone N de la jonction CB est reliée à la borne + du générateur et cette jontion est bloquée.

Avec u_BE " u_s la jonction BE (avec sa zone N reliée à la borne - du générateur) est passante de B vers E : des électrons de l'émetteur (fortement dopé N) la traversent de E vers B.

La base B, mince et peu dopée P, ne contient pas assez de trous pour les accueillir. Une très faible proportion de ces électrons (ordre 1%) comblera des trous et donnera dans la base un déplacement d'électrons de valence vers B (ou de trous vers E), correspondant au courant I_b.

Cette arrivée d'électrons dans la base (dopée P), va affaiblir la jonction BC : la plupart des électrons venus de E (explication du nom, émetteur) la franchiront, attirés par le potentiel positif de C (explication du nom, collecteur), et donneront le courant I_c.

* Le nombre d'électrons traversant la jonction BE augmente avec u_BE et par suite I_b. Cette augmentation des électrons arrivant dans la base rend la traversée de la jonction BC plus facile et entraine le passage d'un pourcentage croissant de ces électrons vers C : I_C augmente donc d'abord avec u_BE et I_b , transistor en régime linéaire avec I_c = b . I_b.

A partir d'une certaine valeur de u_BE donnant I_b = I_{b sat}, ce pourcentage devient constant et entraine I_c = cte = I_{C sat}, transistor en régime saturé.