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Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors
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STPI
Chapitre 5 :
Les TransisTors
I. Le transistor à jonction :
Le transistor bipolaire à jonction est un empilement de trois couches de Silicium, obtenues par diffusions
successives de dopants.
Les dispositifs en question sont ensuite complétés par trois plaquettes métalliques placées respectivement
sur les extrémités des zones latérales et sur le côté de la zone centrale. Elles sont désignées par les lettres E,
B, C.
Un exemple de structure est présenté à la figure ci-dessous. Le principe de fonctionnement s’applique à tous
les transistors bipolaires.
Deux types de transistors existent. On leur donne comme nom l’ordre d’empilement des couches soit PNP ou
NPN. La couche centrale porte le nom de la base (B), les couches externes sont l’émetteur (E) et le collecteur
(C).
C
E
BB
C
E
Les caractéristiques des deux types de transistors sont semblables, c'est-à-dire qu'ils fonctionnent de la
même façon. Toutefois, ils nécessitent des tensions de polarité contraire : le transistor NPN fonctionne
avec des tensions positives tandis que le transistor PNP fonctionne avec des tensions négatives. Dans le
symbole du transistor l’électrode qui porte la flèche est l’émetteur ; on voit sur la figure que les
symboles du PNP et NPN ne diffèrent par le sens de la flèche, qui indique le sens du courant
conventionnel (de P vers N) dans la jonction base-émetteur.
1.1. Courants à travers les jonctions :
On mesure les courants entre deux électrodes reliées à un générateur quand la troisième est
déconnectée.
En observant la figure 1, on remarque que les trois zones forment deux jonctions distinctes ; dans le
transistor NPN, l'émetteur et la base forment une jonction NP tandis que la base et le collecteur forment une
jonction PN.
Dans le cas du transistor PNP par contre, l'émetteur et la base forment une jonction PN tandis que la base et
le collecteur constituent une jonction NP.
Lorsque l’on n’applique aucune tension sur les électrodes du transistor, c'est-à-dire lorsque ses deux
jonctions ne sont pas polarisées, il s'y manifeste les mêmes phénomènes que l'on avait dans la jonction PN.
(Voir semi-conducteurs).
Chaque jonction est le siège d'une barrière de potentiel où la zone N est rendue plus positive que la zone P.
La barrière de potentiel a une valeur telle qu'elle permet le passage d'un flux de porteurs majoritaires égal
au flux des porteurs minoritaires. Ainsi le flux total des porteurs traversant chaque jonction est nul.
Pour le fonctionnement normal d'un transistor, qu'il soit du type PNP ou NPN, la jonction émetteur-base doit
être polarisée en direct tandis que la jonction collecteur-base doit être polarisée en inverse. La polarisation
des jonctions peut s'obtenir au moyen d'une pile raccordée de manière adéquate.
Pour polariser directement la jonction émetteur-base, la pile est raccordée comme le montre la figure 2-a
dans le cas d'un transistor PNP, ou bien de la manière indiquée figure 2-b dans le cas d'un transistor NPN.
Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors
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STPI
Dans les circuits ainsi constitués, de façon analogue à ce qui se passe dans une diode, il circule un courant
direct appelé courant d'émetteur et désigné par EI .
Pour polariser en inverse la jonction collecteur-base, la pile est raccordée comme le montre la figure 3-a
dans le cas d'un transistor PNP, ou bien de la manière indiquée figure 3-b dans le cas d'un transistor NPN.
Dans ces nouveaux circuits, on observe aussi ce qui se produit dans une diode, c'est-à-dire que l'on constate
la circulation d'un courant inverse appelé courant résiduel et désigné par CBOI .
Le courant résiduel CBOI , étant dû aux porteurs minoritaires, a une intensité très faible (c’est le courant de
saturation de la jonction collecteur base polarisée en inverse). Celle-ci, qui ne dépend pratiquement pas de la
tension appliquée à la jonction collecteur-base, est par contre largement tributaire de la température à
laquelle se trouve le transistor et de ses caractéristiques.
II. Principe de fonctionnement :
Le principe de fonctionnement du transistor bipolaire repose sur une dissymétrie des dopages et de
longueurs de diffusion
- l’émetteur est beaucoup plus dopé que la base.
- le collecteur est moins dopé que l’émetteur mais plus dopé que la base.
- le collecteur et l’émetteur sont sensiblement plus longs que la longueur de diffusion de leurs porteurs
minoritaires
2.1. Mode actif normal :
Le mode actif normal est obtenu en polarisant la jonction base-émetteur en direct et la jonction collecteur-
émetteur en inverse. Nous allons considérer le cas d’un transistor NPN, pour lequel il faut imposer les
conditions : et EB VV  .
Nous supposerons également que les polarisations sont “franches”, c’est-à-dire et
 Effet transistor :
Dans le chap. 3, nous avons vu que le courant traversant une
jonction PN polarisée en inverse (courant de saturation inverse) a
les propriétés suivantes :
 il ne dépend pas de l’intensité du champ électrique
régnant dans la région de déplétion ;
 il est proportionnel à la densité des porteurs minoritaires
qui parviennent à la région de déplétion sans avoir subi de
recombinaison.
Le courant de saturation inverse étudié dans le chap. 3 était
d’origine thermique. Pour le transistor bipolaire à jonction en
mode actif normal, nous allons nous intéresser au courant de saturation inverse de la jonction collecteur-
base. La composante principale de ce courant est cette fois d’origine électrique et est contrôlée par la
jonction BE. Ainsi, la polarisation BCV maintient le champ électrique inverse requis au point 1 ci-dessus,
tandis que la densité des porteurs minoritaires qui parviennent au collecteur (point 2) est contrôlée par la
jonction BE.
Pour mieux comprendre ce mécanisme, examinons le schéma de principe du transistor de la figure ci
dessous et les différents processus dont il est le siège.
 Processus principaux :
Les processus prédominants sont les processus 1, 2 et 3.
 Processus 1 : la jonction BE, polarisée en direct, injecte des électrons de l’émetteur vers la base.
D’après les résultats du chap.3, la densité des porteurs injectés varie proportionnellement à où
qkTVT / est la tension thermique.
BC VV 
TBE VV  TBC VV 
)/exp( TBE VV
Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors
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STPI
 Processus 2 : les électrons injectés diffusent dans la base, où ils sont minoritaires. Quelques-uns de
ces électrons subissent des recombinaisons avec les trous, majoritaires dans la base.
 Processus 3 : les électrons qui ont traversé la base sans avoir subi de recombinaison parviennent è la
jonction BC, polarisée en inverse. Le champ électrique qui y règne les entraîne vers le collecteur.
L’effet transistor est l’effet par lequel le processus 1 conditionne le processus 3. En définitive, un transistor
bipolaire se présente comme deux jonctions fortement couplées, l’une « émettrice » de porteurs et l’autre
« collectrice »
 Processus secondaires
Un certain nombre de processus peuvent limiter l’influence du processus 1 sur le processus 3.
 Processus 4 : la base, polarisée positivement par rapport à l’émetteur, y injecte des trous.
 Processus 5 et 6 : la jonction BC, comme toute jonction polarisée en inverse, est également traversée
par un courant de saturation inverse d’origine thermique. Comme nous l’avons vu au chap. 3, les porteurs
minoritaires générés thermiquement au voisinage direct de la jonction peuvent la traverser par
entraînement dans le champ électrique interne (processus 5 : électrons générés dans la base ; processus 6 :
trous générés dans le collecteur). Ces processus se déroulant au voisinage de la jonction BC, ils ne sont pas
(en première approximation) affecté par la tension BEV .
2.2. Courants électriques :
Un modèle de premier ordre est obtenu en négligeant les processus 5, 6, qui sont sous-dominants sous les
hypothèses d’une polarisation franche. Le courant d’émetteur s’écrit :
(1)
où représente l’injection d’électrons dans la base (processus 1) et représente l’injection de trous
dans l’émetteur (processus 4). D’après les résultats du chap. 3, pour TBE VV  , on a : et EpI sont
proportionnels à (2)
(3)
où BESI  est le courant de saturation inverse de la jonction BE.
Afin de privilégier l’influence de la jonction BE sur le courant de collecteur, on construit le transistor de
façon telle que EnI >> , par exemple en dopant fortement l’émetteur par rapport à la base.
Il est d’usage d’introduire la notion d’efficacité d’injection de l’émetteur, caractérisée par le facteur :
EpEn
En
II
I

 (4)
qui est inférieur à l’unité. Il s’en approche d’autant plus que le courant EnI l’emporte sur le courant .
Le courant de collecteur est transporté par les électrons qui sont injectés par l’émetteur dans la base
(courant ) et la traversent sans subir de recombinaison. Si B est la probabilité de franchir la base, alors
on peut écrire : (5)
Par la relation (4), on a : EEpEnC IBIIBI   )(. (6)
Par conséquent, en éliminant EI à l’aide de (3), on obtient






 
T
BE
BESEpEnC
V
V
IBIIBI exp..)(.  (7)
Ceci montre clairement que le courant CI est modulé par la tension BEV et ne dépend pas, en première
approximation, de la tension BCV .
Le courant de base alimente deux processus : d’une part l’injection de trous dans l’émetteur (processus4), ce
qui donne lieu au courant EpI , et d’autre part l’alimentation en trous des recombinaisons avec les électrons
en transit dans la base (processus 2). La fraction des électrons qui sont injectés dans la base mais ne
EpEnE III 
EnI EpI
EnI
)/exp( TBE VV






 
T
BE
BESEpEnE
V
V
IIII exp
EpI
EpI
EnI
EnC IBI .
Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors
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STPI
parviennent pas au collecteur vaut (1 − B). Dès lors, le courant de trous alimentant les recombinaisons dans
la base s’écrit (1−B) EnI .
En regroupant les deux processus, a pour expression
EnEpB IBII )1(  (8)
Compte tenu des relations (1) et (), on constate que BI est également proportionnel à )/exp( TBE VV . De
plus, en combinant (1) et (3.5), on vérifie la relation
CEB III  (9)
C’est-à-dire la loi de Kirchhoff appliquée aux bornes du transistor.
2.3. Gains en courant :
Deux gains en courant caractérisent la qualité d’un transistor. Le premier, appelé rapport de transfert du
courant ou gain est donné par l’expression :
E
C
I
I
 (10)
D’après l’équation (5), on a : 1 B (11)
L’écart par rapport à l’unité est une mesure de l’importance de l’effet transistor. En effet, le bon
fonctionnement du transistor requiert deux conditions :
1. les électrons subissent peu de recombinaisons dans la base, c’est-à-dire B est proche de l’unité ;
2. l’injection de trous dans l’émetteur est négligeable, ce qui se traduit par un facteur proche de l’unité.
Par conséquent, un transistor correctement dimensionné comporte une base courte (ce qui diminue le
temps de transfert et augmente B), qui est faiblement dopée par rapport à l’émetteur (cela a le double
avantage de rapprocher de l’unité et de diminuer le taux des recombinaisons dans la base).
Le deuxième gain en courant est le rapport d’amplification de courant entre base et collecteur ou gain  . Il
s’écrit :
B
C
I
I
 (12)
En vertu des relations (5) et (9), on obtient :











11/1
/
B
B
II
II
EC
EC
(13)
Ainsi, comme  ≃ 1, le gain  est un nombre très grand devant l’unité. Pour un transistor de faible puissance
(inférieure au watt), on rencontre typiquement des valeurs de  ≥ 100, ce qui correspond à  ≥ 0.99.
En résumé, en mode actif normal, l’accès base-émetteur est alimenté par un courant BI faible et une tension
BEV de l’ordre de 0.7V (la jonction BE est polarisée en direct). Pour l’accès collecteur- émetteur, nous avons
un courant CI beaucoup plus important ( 1 ) et une tension CEV pouvant atteindre quelques volts.
Ainsi, le circuit d’entrée de puissance faible, module l’état électrique de l’accès de sortie dont la
puissance est plus importante, inCCEout PIVP  . . C’est cette amplification de puissance qui fait du
transistor bipolaire à jonction un composant actif.
2.4. Transistor PNP en mode actif normal
Le fonctionnement du transistor PNP en mode actif normal
est similaire à celui d’un NPN, si ce n’est que les rôles des
régions P et N, ainsi que les rôles des électrons et des trous,
sont intervertis. Cela implique en particulier que les
courants et les différences de potentiel aux bornes des
jonctions changent de signe. Le schéma de principe et les
courants sont illustrés ci contre.
III. Caractéristiques Courant-tension
Revenons au transistor NPN et concentrons-nous sur les relations entre les différentes tensions et courants.
3.1. Montage pour le relevé des caractéristiques :
BI

BBEin IVP .
Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors
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STPI
Pour procéder au relevé des caractéristiques, on utilise le montage ci-dessous. Les paramètres d’entrée BI et
BEV sont maintenus constants et on mesure CI lorsque CEV varie. On constate avec ce montage l’influence
de la température sur les valeurs mesurées. Pour limiter l'auto-échauffement du transistor par le courant du
collecteur, il ne faut appliquer les tensions que pendant la durée de la mesure.
 Caractéristique et effet de la température
D’après l’équation (7), la caractéristique est celle d’une
jonction PN : pour un composant au silicium, le courant est
négligeable tant que est négatif ou que VVBE 5.0 . Il
augmente ensuite, d’abord lentement ensuite très rapidement aux
alentours de , comme représenté à la figure ci
dessous.
Tout comme dans une jonction PN, une augmentation de la
température à BEV constant induit un accroissement de la
concentration des porteurs minoritaires, et, par suite, une augmentation de CI . En pratique, on observe
qu’`a courant fixe et pour une large plage de température, la tension BEV diminue de 2 mV à chaque
augmentation de la température d’un degré Celsius,
 Caractéristique CI - CEV et effet Early
Dans le cas d’un transistor en mode actif normal, le modèle de premier ordre que nous avons exposé nous
donne un courant qui ne dépend pas de la tension CEV . En pratique cependant, l’effet Early introduit une
légère influence de CEV sur (à fixe). En effet, lorsque CEV
augmente, le volume
de la région de déplétion de la jonction BC augmente. En particulier, la
région de déplétion s’étend dans la base et en diminue la largeur. Par
conséquent, les électrons injectés par l’émetteur doivent parcourir une
distance plus courte avant d’être collectés, ce qui se traduit par un
accroissement du gain  . Ainsi, à BI fixe, l’effet Early conduit à une
augmentation de CI proportionnelle à celle d . Empiriquement, on
tient compte de cet effet en modifiant l’expression de l’équation (7) en :













A
CE
T
BE
SC
V
V
V
V
II 1exp (14)
où BESS IBI  .. . La tension d’Early AV est un paramètre variant
typiquement entre cinquante et la centaine de volts. La figure ci-dessous
montre un réseau de caractéristiques satisfaisant la loi (14)
pour différentes valeurs de BEV . Les segments des caractéristiques dans le
mode actif normal forment un faisceau de droites convergeant vers le
point )0,(),( ACCE VIV 
La figure suivante montre un réseau de caractéristiques
pour une plage de tensions plus importante que dans la figure
précédente (Par ailleurs, l’effet Early est négligé dans cette figure). On peut
BEC VI 
BEC VI 
BEV
VVBE 7.0
CI
CI BI
CEV
)( CEC VfI 
)( CEC VfI 
CEV
A
mV
A
V
G1
=5V
RP
R
G2VCE
VBE
IC
IB
Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors
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STPI
y voir apparaître le régime de saturation, pour des tensions CEV de quelques dixièmes de volts, ainsi qu’un
régime de blocage dans la région des faibles courants BI et CI . On peut également observer un régime de
claquage, survenant aux tensions CEV de plusieurs dizaines de volts. Notez que les transistors bipolaires à
jonction ne sont habituellement pas conçus pour fonctionner en claquage et peuvent donc être détruits.
 Variations du gain en courant en fonction de la température
La figure ci-contre montre un fait qu’il est important de garder à l’esprit : le gain
 varie de façon appréciable en fonction du courant CI et de la température.
Ainsi, à température fixe, peut varier dans un rapport de un à deux pour un
variant entre 100 μA et 1 mA. A courant CI fixé,  peut varier dans un
rapport de un à trois pour une variation de température couvrant 100°C.
 Réseau de transfert en courant :
C’est le réseau  BC IfI  avec CEV comme paramètre (coefficient 21H ).
Ce réseau est constitué par un éventail de courbes presque linéaires passant par le point 0BI et
0CEC II  ( 0CEBC III  ).
 Réseau d’entrée :
C’est le réseau  BEB VfI  avec CEV comme paramètre (coefficient 1
11

H ).
Dès que BEV est supérieur à 0,65 V, toutes les courbes sont pratiquement confondues car l’influence de la
tension de sortie sur le courant d’entrée est négligeable. La courbe est identique à la caractéristique d’une
diode qui est constituée par la jonction base-émetteur. Pour un transistor au silicium, BEV varie très peu et
reste voisin de la tension de seuil de la jonction base-émetteur soit 0,65V.
 Réseau de transfert en tension :
C’est le réseau  CEBE VfV  avec IB comme paramètre (coefficient 12H ). On constate que les variations de
la tension de sortie sont sans effet sur la tension d’entrée.
IV. Les modes de fonctionnement d’un transistor bipolaire :
4.1. La notion de droite de charge :
Pour une polarisation quelconque, l’état électrique du transistor peut être
déterminé graphiquement sur base du réseau des caractéristiques
et de l’équation électrique dans la maille collecteur-emetteur,
qui est appelée droite de charge.
CECCCC VIRV  . Cette droite intercepte les axes du repère aux points :
     0,,0 CCCCEC VIVI  ,
     RVIVV CCCCEC /,0,0 
La droite D représente la relation entre le courant et la tension dans la maille
de sortie. Cette relation est linéaire car le circuit d’encadrement, constitué de
la source de tension et de la résistance RC, est un circuit linéaire.
4.2. Résolution du circuit par la méthode graphique :
Graphiquement, le point de fonctionnement du transistor est donné
par l’intersection entre la droite de charge et une des caractéristiques
)( CEC VfI  du réseau de la figure ci-dessous. A chaque valeur de BI ,
imposé par la maille base-émetteur correspond une caractéristique du
réseau.
Nous allons à présent examiner sous quelles conditions un circuit
quitte le mode actif normal. Cela nous conduira à considérer deux
nouveaux modes de fonctionnement, qui sont les modes utilisés en
électronique numérique.

CI
)( CEC VfI 
Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors
Page 7/8 2ème
STPI
4.3. Régime de saturation :
A mesure que le courant de base augmente, le courant CI augmente et la
caractéristique CEC VI  se déplace vers le haut. Ainsi, le point de
fonctionnement du circuit se déplace le long de la droite de charge vers les
faibles valeurs de CEV . Lorsque CEV passe en dessous de la tension de
saturation, satCECE VV  où satCEV  est de l’ordre de quelques dixièmes de
volts, le point de fonctionnement du circuit quitte la portion de la
caractéristique où CI ≈ constante (on néglige ici l’effet Early). C’est l’entrée en
régime de saturation, illustrée ci-contre. Le début de la saturation correspond à l’entrée en conduction de la
jonction BC. A mesure que CEV décroît, la tension BECECB VVV  diminue et finit par s’annuler. A ce
moment, la jonction BC passe en polarisation directe.
En saturation, la jonction BE est polarisée en direct, avec une tension BEV ≈ 0.7V. Le seuil de saturation
satCEV  vaut donc approximativement CBBEsatCE VVV  ≈ 0.7 − 0.5 = 0.2 V.
A mesure que la polarisation directe de la jonction BC devient plus franche, la tension CEV diminue.
4.4. Régime de blocage :
Considérons à présent le régime rencontré lorsque le courant BI d’un transistor
polarisé en mode actif normal s’approche de zéro. Comme en mode actif normal
)/( TBEB VVexI  la tension BEV s’approche également de zéro. La jonction BE
cesse d’injecter des électrons dans la base et le courant de collecteur chute
fortement. Par la méthode graphique, on en déduit que le point de
fonctionnement se trouve approximativement en : CI ≈ 0, et
CCCE VV 
Le transistor entre en régime de blocage, pour lequel les deux
jonctions sont inactives. C’est également le régime que l’on obtient
lorsque les deux jonctions sont polarisées en inverse. Le courant
CI correspond dans ce cas à un courant de saturation inverse
d’origine thermique, qui en pratique est très faible.
La table suivant résume les différents régimes de fonctionnement du transistor bipolaire `a jonction. Notez
que si l’on inverse les rôles joués par le collecteur et l’émetteur, on obtient un quatrième mode, le mode actif
inverse. Cependant, comme les transistors sont habituellement construits de fa¸con `a obtenir un gain 
important en mode actif normal, ce dernier régime est d’un intérêt pratique secondaire.
V. Paramètres en h, et circuit équivalent :
5.1. Définition des paramètres :
L’examen des caractéristiques du transistor montre des zones où son comportement est pratiquement
linéaire. Si l’on choisit le point de fonctionnement dans ces zones linéaires, on peut écrire que les variations
des grandeurs d’entrée et de sortie (notées variations avec des minuscules !) sont reliées par les relations :


















CE
B
C
BE
v
i
hh
hh
i
v
2221
1211
Les paramètres ijh de cette matrice hybride sont les dérivées des paramètres ijH au voisinage du point de
fonctionnement étudié.
5.2. Interprétation des paramètres :
 BBE ivh 11 à tetanconsVCE  :
C’est la résistance d’entrée du transistor. C’est aussi la pente de la caractéristique d’entrée. On peut montrer
Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors
Page 8/8 2ème
STPI
que 11h prend, pour un courant CI , la valeur :
CI
h

 2611 ( 11h en  , CI en mA).
 BC iih 21 à tetanconsVCE  :
C’est le gain en courant du transistor. Il est très voisin de qui est la pente de la caractéristique de transfert
en courant.
 CEC vih 22 à tetanconsIB  :
C’est l’admittance de sortie du transistor. Elle est en général faible et correspond à la pente des
caractéristiques du réseau de sortie ; 22h est fonction du courant du collecteur ; 1
22

h est de l’ordre de k20
pour des courants collecteurs de l’ordre de quelques milliampères.
 CEBE vvh 12 à tetanconsIB  :
C’est la pente des caractéristiques du réseau de transfert en tension. Ce paramètre étant voisin de zéro
(typiquement 5
10
à 6
10
) sera toujours négligé.
5.3. Schéma équivalent simplifié :
En fait, il existe des capacités entre les électrodes d’un transistor. Ces capacités sont faibles et présentent en
basses fréquences des impédances si grandes que l’on peut négliger leur effet. Par contre en hautes
fréquences, les impédances de ces capacités parasites modifient le fonctionnement du transistor.
Si on néglige les capacités entre les électrodes, on obtient le schéma équivalent suivant, valable uniquement
en basses fréquences, qui est la traduction graphique du modèle hybride du transistor. Il relie donc les
variations des grandeurs d’entrée et de sortie.
On suppose que le transistor est placé à son point de
fonctionnement, dans la zone linéaire des caractéristiques, par
application de potentiels continus convenables sur les trois
électrodes.
Cette opération se nomme la polarisation du transistor.
Comme 12h est voisin de 0 et que 22h est petit, on peut encore
simplifier le schéma. Dans ce modèle, le transistor se ramène à un
circuit d’entrée qui la résistance 11h et à un circuit de sortie constitué
par un générateur de courant BC ii . . Les variations du courant de
sorties sont égales à  fois celle courant d’entrée.
VCEVBE h12.VCE
h11
h22
h21.IB
IB IC
VCE
VBE
h11
h21.IB
IB IC
IB IC
IE

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  • 1. Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors Page 1/11 2ème STPI Chapitre 5 : Les TransisTors I. Le transistor à jonction : Le transistor bipolaire à jonction est un empilement de trois couches de Silicium, obtenues par diffusions successives de dopants. Les dispositifs en question sont ensuite complétés par trois plaquettes métalliques placées respectivement sur les extrémités des zones latérales et sur le côté de la zone centrale. Elles sont désignées par les lettres E, B, C. Un exemple de structure est présenté à la figure ci-dessous. Le principe de fonctionnement s’applique à tous les transistors bipolaires. Deux types de transistors existent. On leur donne comme nom l’ordre d’empilement des couches soit PNP ou NPN. La couche centrale porte le nom de la base (B), les couches externes sont l’émetteur (E) et le collecteur (C). C E BB C E Les caractéristiques des deux types de transistors sont semblables, c'est-à-dire qu'ils fonctionnent de la même façon. Toutefois, ils nécessitent des tensions de polarité contraire : le transistor NPN fonctionne avec des tensions positives tandis que le transistor PNP fonctionne avec des tensions négatives. Dans le symbole du transistor l’électrode qui porte la flèche est l’émetteur ; on voit sur la figure que les symboles du PNP et NPN ne diffèrent par le sens de la flèche, qui indique le sens du courant conventionnel (de P vers N) dans la jonction base-émetteur. 1.1. Courants à travers les jonctions : On mesure les courants entre deux électrodes reliées à un générateur quand la troisième est déconnectée. En observant la figure 1, on remarque que les trois zones forment deux jonctions distinctes ; dans le transistor NPN, l'émetteur et la base forment une jonction NP tandis que la base et le collecteur forment une jonction PN. Dans le cas du transistor PNP par contre, l'émetteur et la base forment une jonction PN tandis que la base et le collecteur constituent une jonction NP. Lorsque l’on n’applique aucune tension sur les électrodes du transistor, c'est-à-dire lorsque ses deux jonctions ne sont pas polarisées, il s'y manifeste les mêmes phénomènes que l'on avait dans la jonction PN. (Voir semi-conducteurs). Chaque jonction est le siège d'une barrière de potentiel où la zone N est rendue plus positive que la zone P. La barrière de potentiel a une valeur telle qu'elle permet le passage d'un flux de porteurs majoritaires égal au flux des porteurs minoritaires. Ainsi le flux total des porteurs traversant chaque jonction est nul. Pour le fonctionnement normal d'un transistor, qu'il soit du type PNP ou NPN, la jonction émetteur-base doit être polarisée en direct tandis que la jonction collecteur-base doit être polarisée en inverse. La polarisation des jonctions peut s'obtenir au moyen d'une pile raccordée de manière adéquate. Pour polariser directement la jonction émetteur-base, la pile est raccordée comme le montre la figure 2-a dans le cas d'un transistor PNP, ou bien de la manière indiquée figure 2-b dans le cas d'un transistor NPN.
  • 2. Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors Page 2/8 2ème STPI Dans les circuits ainsi constitués, de façon analogue à ce qui se passe dans une diode, il circule un courant direct appelé courant d'émetteur et désigné par EI . Pour polariser en inverse la jonction collecteur-base, la pile est raccordée comme le montre la figure 3-a dans le cas d'un transistor PNP, ou bien de la manière indiquée figure 3-b dans le cas d'un transistor NPN. Dans ces nouveaux circuits, on observe aussi ce qui se produit dans une diode, c'est-à-dire que l'on constate la circulation d'un courant inverse appelé courant résiduel et désigné par CBOI . Le courant résiduel CBOI , étant dû aux porteurs minoritaires, a une intensité très faible (c’est le courant de saturation de la jonction collecteur base polarisée en inverse). Celle-ci, qui ne dépend pratiquement pas de la tension appliquée à la jonction collecteur-base, est par contre largement tributaire de la température à laquelle se trouve le transistor et de ses caractéristiques. II. Principe de fonctionnement : Le principe de fonctionnement du transistor bipolaire repose sur une dissymétrie des dopages et de longueurs de diffusion - l’émetteur est beaucoup plus dopé que la base. - le collecteur est moins dopé que l’émetteur mais plus dopé que la base. - le collecteur et l’émetteur sont sensiblement plus longs que la longueur de diffusion de leurs porteurs minoritaires 2.1. Mode actif normal : Le mode actif normal est obtenu en polarisant la jonction base-émetteur en direct et la jonction collecteur- émetteur en inverse. Nous allons considérer le cas d’un transistor NPN, pour lequel il faut imposer les conditions : et EB VV  . Nous supposerons également que les polarisations sont “franches”, c’est-à-dire et  Effet transistor : Dans le chap. 3, nous avons vu que le courant traversant une jonction PN polarisée en inverse (courant de saturation inverse) a les propriétés suivantes :  il ne dépend pas de l’intensité du champ électrique régnant dans la région de déplétion ;  il est proportionnel à la densité des porteurs minoritaires qui parviennent à la région de déplétion sans avoir subi de recombinaison. Le courant de saturation inverse étudié dans le chap. 3 était d’origine thermique. Pour le transistor bipolaire à jonction en mode actif normal, nous allons nous intéresser au courant de saturation inverse de la jonction collecteur- base. La composante principale de ce courant est cette fois d’origine électrique et est contrôlée par la jonction BE. Ainsi, la polarisation BCV maintient le champ électrique inverse requis au point 1 ci-dessus, tandis que la densité des porteurs minoritaires qui parviennent au collecteur (point 2) est contrôlée par la jonction BE. Pour mieux comprendre ce mécanisme, examinons le schéma de principe du transistor de la figure ci dessous et les différents processus dont il est le siège.  Processus principaux : Les processus prédominants sont les processus 1, 2 et 3.  Processus 1 : la jonction BE, polarisée en direct, injecte des électrons de l’émetteur vers la base. D’après les résultats du chap.3, la densité des porteurs injectés varie proportionnellement à où qkTVT / est la tension thermique. BC VV  TBE VV  TBC VV  )/exp( TBE VV
  • 3. Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors Page 3/8 2ème STPI  Processus 2 : les électrons injectés diffusent dans la base, où ils sont minoritaires. Quelques-uns de ces électrons subissent des recombinaisons avec les trous, majoritaires dans la base.  Processus 3 : les électrons qui ont traversé la base sans avoir subi de recombinaison parviennent è la jonction BC, polarisée en inverse. Le champ électrique qui y règne les entraîne vers le collecteur. L’effet transistor est l’effet par lequel le processus 1 conditionne le processus 3. En définitive, un transistor bipolaire se présente comme deux jonctions fortement couplées, l’une « émettrice » de porteurs et l’autre « collectrice »  Processus secondaires Un certain nombre de processus peuvent limiter l’influence du processus 1 sur le processus 3.  Processus 4 : la base, polarisée positivement par rapport à l’émetteur, y injecte des trous.  Processus 5 et 6 : la jonction BC, comme toute jonction polarisée en inverse, est également traversée par un courant de saturation inverse d’origine thermique. Comme nous l’avons vu au chap. 3, les porteurs minoritaires générés thermiquement au voisinage direct de la jonction peuvent la traverser par entraînement dans le champ électrique interne (processus 5 : électrons générés dans la base ; processus 6 : trous générés dans le collecteur). Ces processus se déroulant au voisinage de la jonction BC, ils ne sont pas (en première approximation) affecté par la tension BEV . 2.2. Courants électriques : Un modèle de premier ordre est obtenu en négligeant les processus 5, 6, qui sont sous-dominants sous les hypothèses d’une polarisation franche. Le courant d’émetteur s’écrit : (1) où représente l’injection d’électrons dans la base (processus 1) et représente l’injection de trous dans l’émetteur (processus 4). D’après les résultats du chap. 3, pour TBE VV  , on a : et EpI sont proportionnels à (2) (3) où BESI  est le courant de saturation inverse de la jonction BE. Afin de privilégier l’influence de la jonction BE sur le courant de collecteur, on construit le transistor de façon telle que EnI >> , par exemple en dopant fortement l’émetteur par rapport à la base. Il est d’usage d’introduire la notion d’efficacité d’injection de l’émetteur, caractérisée par le facteur : EpEn En II I   (4) qui est inférieur à l’unité. Il s’en approche d’autant plus que le courant EnI l’emporte sur le courant . Le courant de collecteur est transporté par les électrons qui sont injectés par l’émetteur dans la base (courant ) et la traversent sans subir de recombinaison. Si B est la probabilité de franchir la base, alors on peut écrire : (5) Par la relation (4), on a : EEpEnC IBIIBI   )(. (6) Par conséquent, en éliminant EI à l’aide de (3), on obtient         T BE BESEpEnC V V IBIIBI exp..)(.  (7) Ceci montre clairement que le courant CI est modulé par la tension BEV et ne dépend pas, en première approximation, de la tension BCV . Le courant de base alimente deux processus : d’une part l’injection de trous dans l’émetteur (processus4), ce qui donne lieu au courant EpI , et d’autre part l’alimentation en trous des recombinaisons avec les électrons en transit dans la base (processus 2). La fraction des électrons qui sont injectés dans la base mais ne EpEnE III  EnI EpI EnI )/exp( TBE VV         T BE BESEpEnE V V IIII exp EpI EpI EnI EnC IBI .
  • 4. Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors Page 4/8 2ème STPI parviennent pas au collecteur vaut (1 − B). Dès lors, le courant de trous alimentant les recombinaisons dans la base s’écrit (1−B) EnI . En regroupant les deux processus, a pour expression EnEpB IBII )1(  (8) Compte tenu des relations (1) et (), on constate que BI est également proportionnel à )/exp( TBE VV . De plus, en combinant (1) et (3.5), on vérifie la relation CEB III  (9) C’est-à-dire la loi de Kirchhoff appliquée aux bornes du transistor. 2.3. Gains en courant : Deux gains en courant caractérisent la qualité d’un transistor. Le premier, appelé rapport de transfert du courant ou gain est donné par l’expression : E C I I  (10) D’après l’équation (5), on a : 1 B (11) L’écart par rapport à l’unité est une mesure de l’importance de l’effet transistor. En effet, le bon fonctionnement du transistor requiert deux conditions : 1. les électrons subissent peu de recombinaisons dans la base, c’est-à-dire B est proche de l’unité ; 2. l’injection de trous dans l’émetteur est négligeable, ce qui se traduit par un facteur proche de l’unité. Par conséquent, un transistor correctement dimensionné comporte une base courte (ce qui diminue le temps de transfert et augmente B), qui est faiblement dopée par rapport à l’émetteur (cela a le double avantage de rapprocher de l’unité et de diminuer le taux des recombinaisons dans la base). Le deuxième gain en courant est le rapport d’amplification de courant entre base et collecteur ou gain  . Il s’écrit : B C I I  (12) En vertu des relations (5) et (9), on obtient :            11/1 / B B II II EC EC (13) Ainsi, comme  ≃ 1, le gain  est un nombre très grand devant l’unité. Pour un transistor de faible puissance (inférieure au watt), on rencontre typiquement des valeurs de  ≥ 100, ce qui correspond à  ≥ 0.99. En résumé, en mode actif normal, l’accès base-émetteur est alimenté par un courant BI faible et une tension BEV de l’ordre de 0.7V (la jonction BE est polarisée en direct). Pour l’accès collecteur- émetteur, nous avons un courant CI beaucoup plus important ( 1 ) et une tension CEV pouvant atteindre quelques volts. Ainsi, le circuit d’entrée de puissance faible, module l’état électrique de l’accès de sortie dont la puissance est plus importante, inCCEout PIVP  . . C’est cette amplification de puissance qui fait du transistor bipolaire à jonction un composant actif. 2.4. Transistor PNP en mode actif normal Le fonctionnement du transistor PNP en mode actif normal est similaire à celui d’un NPN, si ce n’est que les rôles des régions P et N, ainsi que les rôles des électrons et des trous, sont intervertis. Cela implique en particulier que les courants et les différences de potentiel aux bornes des jonctions changent de signe. Le schéma de principe et les courants sont illustrés ci contre. III. Caractéristiques Courant-tension Revenons au transistor NPN et concentrons-nous sur les relations entre les différentes tensions et courants. 3.1. Montage pour le relevé des caractéristiques : BI  BBEin IVP .
  • 5. Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors Page 5/8 2ème STPI Pour procéder au relevé des caractéristiques, on utilise le montage ci-dessous. Les paramètres d’entrée BI et BEV sont maintenus constants et on mesure CI lorsque CEV varie. On constate avec ce montage l’influence de la température sur les valeurs mesurées. Pour limiter l'auto-échauffement du transistor par le courant du collecteur, il ne faut appliquer les tensions que pendant la durée de la mesure.  Caractéristique et effet de la température D’après l’équation (7), la caractéristique est celle d’une jonction PN : pour un composant au silicium, le courant est négligeable tant que est négatif ou que VVBE 5.0 . Il augmente ensuite, d’abord lentement ensuite très rapidement aux alentours de , comme représenté à la figure ci dessous. Tout comme dans une jonction PN, une augmentation de la température à BEV constant induit un accroissement de la concentration des porteurs minoritaires, et, par suite, une augmentation de CI . En pratique, on observe qu’`a courant fixe et pour une large plage de température, la tension BEV diminue de 2 mV à chaque augmentation de la température d’un degré Celsius,  Caractéristique CI - CEV et effet Early Dans le cas d’un transistor en mode actif normal, le modèle de premier ordre que nous avons exposé nous donne un courant qui ne dépend pas de la tension CEV . En pratique cependant, l’effet Early introduit une légère influence de CEV sur (à fixe). En effet, lorsque CEV augmente, le volume de la région de déplétion de la jonction BC augmente. En particulier, la région de déplétion s’étend dans la base et en diminue la largeur. Par conséquent, les électrons injectés par l’émetteur doivent parcourir une distance plus courte avant d’être collectés, ce qui se traduit par un accroissement du gain  . Ainsi, à BI fixe, l’effet Early conduit à une augmentation de CI proportionnelle à celle d . Empiriquement, on tient compte de cet effet en modifiant l’expression de l’équation (7) en :              A CE T BE SC V V V V II 1exp (14) où BESS IBI  .. . La tension d’Early AV est un paramètre variant typiquement entre cinquante et la centaine de volts. La figure ci-dessous montre un réseau de caractéristiques satisfaisant la loi (14) pour différentes valeurs de BEV . Les segments des caractéristiques dans le mode actif normal forment un faisceau de droites convergeant vers le point )0,(),( ACCE VIV  La figure suivante montre un réseau de caractéristiques pour une plage de tensions plus importante que dans la figure précédente (Par ailleurs, l’effet Early est négligé dans cette figure). On peut BEC VI  BEC VI  BEV VVBE 7.0 CI CI BI CEV )( CEC VfI  )( CEC VfI  CEV A mV A V G1 =5V RP R G2VCE VBE IC IB
  • 6. Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors Page 6/8 2ème STPI y voir apparaître le régime de saturation, pour des tensions CEV de quelques dixièmes de volts, ainsi qu’un régime de blocage dans la région des faibles courants BI et CI . On peut également observer un régime de claquage, survenant aux tensions CEV de plusieurs dizaines de volts. Notez que les transistors bipolaires à jonction ne sont habituellement pas conçus pour fonctionner en claquage et peuvent donc être détruits.  Variations du gain en courant en fonction de la température La figure ci-contre montre un fait qu’il est important de garder à l’esprit : le gain  varie de façon appréciable en fonction du courant CI et de la température. Ainsi, à température fixe, peut varier dans un rapport de un à deux pour un variant entre 100 μA et 1 mA. A courant CI fixé,  peut varier dans un rapport de un à trois pour une variation de température couvrant 100°C.  Réseau de transfert en courant : C’est le réseau  BC IfI  avec CEV comme paramètre (coefficient 21H ). Ce réseau est constitué par un éventail de courbes presque linéaires passant par le point 0BI et 0CEC II  ( 0CEBC III  ).  Réseau d’entrée : C’est le réseau  BEB VfI  avec CEV comme paramètre (coefficient 1 11  H ). Dès que BEV est supérieur à 0,65 V, toutes les courbes sont pratiquement confondues car l’influence de la tension de sortie sur le courant d’entrée est négligeable. La courbe est identique à la caractéristique d’une diode qui est constituée par la jonction base-émetteur. Pour un transistor au silicium, BEV varie très peu et reste voisin de la tension de seuil de la jonction base-émetteur soit 0,65V.  Réseau de transfert en tension : C’est le réseau  CEBE VfV  avec IB comme paramètre (coefficient 12H ). On constate que les variations de la tension de sortie sont sans effet sur la tension d’entrée. IV. Les modes de fonctionnement d’un transistor bipolaire : 4.1. La notion de droite de charge : Pour une polarisation quelconque, l’état électrique du transistor peut être déterminé graphiquement sur base du réseau des caractéristiques et de l’équation électrique dans la maille collecteur-emetteur, qui est appelée droite de charge. CECCCC VIRV  . Cette droite intercepte les axes du repère aux points :      0,,0 CCCCEC VIVI  ,      RVIVV CCCCEC /,0,0  La droite D représente la relation entre le courant et la tension dans la maille de sortie. Cette relation est linéaire car le circuit d’encadrement, constitué de la source de tension et de la résistance RC, est un circuit linéaire. 4.2. Résolution du circuit par la méthode graphique : Graphiquement, le point de fonctionnement du transistor est donné par l’intersection entre la droite de charge et une des caractéristiques )( CEC VfI  du réseau de la figure ci-dessous. A chaque valeur de BI , imposé par la maille base-émetteur correspond une caractéristique du réseau. Nous allons à présent examiner sous quelles conditions un circuit quitte le mode actif normal. Cela nous conduira à considérer deux nouveaux modes de fonctionnement, qui sont les modes utilisés en électronique numérique.  CI )( CEC VfI 
  • 7. Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors Page 7/8 2ème STPI 4.3. Régime de saturation : A mesure que le courant de base augmente, le courant CI augmente et la caractéristique CEC VI  se déplace vers le haut. Ainsi, le point de fonctionnement du circuit se déplace le long de la droite de charge vers les faibles valeurs de CEV . Lorsque CEV passe en dessous de la tension de saturation, satCECE VV  où satCEV  est de l’ordre de quelques dixièmes de volts, le point de fonctionnement du circuit quitte la portion de la caractéristique où CI ≈ constante (on néglige ici l’effet Early). C’est l’entrée en régime de saturation, illustrée ci-contre. Le début de la saturation correspond à l’entrée en conduction de la jonction BC. A mesure que CEV décroît, la tension BECECB VVV  diminue et finit par s’annuler. A ce moment, la jonction BC passe en polarisation directe. En saturation, la jonction BE est polarisée en direct, avec une tension BEV ≈ 0.7V. Le seuil de saturation satCEV  vaut donc approximativement CBBEsatCE VVV  ≈ 0.7 − 0.5 = 0.2 V. A mesure que la polarisation directe de la jonction BC devient plus franche, la tension CEV diminue. 4.4. Régime de blocage : Considérons à présent le régime rencontré lorsque le courant BI d’un transistor polarisé en mode actif normal s’approche de zéro. Comme en mode actif normal )/( TBEB VVexI  la tension BEV s’approche également de zéro. La jonction BE cesse d’injecter des électrons dans la base et le courant de collecteur chute fortement. Par la méthode graphique, on en déduit que le point de fonctionnement se trouve approximativement en : CI ≈ 0, et CCCE VV  Le transistor entre en régime de blocage, pour lequel les deux jonctions sont inactives. C’est également le régime que l’on obtient lorsque les deux jonctions sont polarisées en inverse. Le courant CI correspond dans ce cas à un courant de saturation inverse d’origine thermique, qui en pratique est très faible. La table suivant résume les différents régimes de fonctionnement du transistor bipolaire `a jonction. Notez que si l’on inverse les rôles joués par le collecteur et l’émetteur, on obtient un quatrième mode, le mode actif inverse. Cependant, comme les transistors sont habituellement construits de fa¸con `a obtenir un gain  important en mode actif normal, ce dernier régime est d’un intérêt pratique secondaire. V. Paramètres en h, et circuit équivalent : 5.1. Définition des paramètres : L’examen des caractéristiques du transistor montre des zones où son comportement est pratiquement linéaire. Si l’on choisit le point de fonctionnement dans ces zones linéaires, on peut écrire que les variations des grandeurs d’entrée et de sortie (notées variations avec des minuscules !) sont reliées par les relations :                   CE B C BE v i hh hh i v 2221 1211 Les paramètres ijh de cette matrice hybride sont les dérivées des paramètres ijH au voisinage du point de fonctionnement étudié. 5.2. Interprétation des paramètres :  BBE ivh 11 à tetanconsVCE  : C’est la résistance d’entrée du transistor. C’est aussi la pente de la caractéristique d’entrée. On peut montrer
  • 8. Electronique Analogique Chap. 5 : Les transistors Page 8/8 2ème STPI que 11h prend, pour un courant CI , la valeur : CI h   2611 ( 11h en  , CI en mA).  BC iih 21 à tetanconsVCE  : C’est le gain en courant du transistor. Il est très voisin de qui est la pente de la caractéristique de transfert en courant.  CEC vih 22 à tetanconsIB  : C’est l’admittance de sortie du transistor. Elle est en général faible et correspond à la pente des caractéristiques du réseau de sortie ; 22h est fonction du courant du collecteur ; 1 22  h est de l’ordre de k20 pour des courants collecteurs de l’ordre de quelques milliampères.  CEBE vvh 12 à tetanconsIB  : C’est la pente des caractéristiques du réseau de transfert en tension. Ce paramètre étant voisin de zéro (typiquement 5 10 à 6 10 ) sera toujours négligé. 5.3. Schéma équivalent simplifié : En fait, il existe des capacités entre les électrodes d’un transistor. Ces capacités sont faibles et présentent en basses fréquences des impédances si grandes que l’on peut négliger leur effet. Par contre en hautes fréquences, les impédances de ces capacités parasites modifient le fonctionnement du transistor. Si on néglige les capacités entre les électrodes, on obtient le schéma équivalent suivant, valable uniquement en basses fréquences, qui est la traduction graphique du modèle hybride du transistor. Il relie donc les variations des grandeurs d’entrée et de sortie. On suppose que le transistor est placé à son point de fonctionnement, dans la zone linéaire des caractéristiques, par application de potentiels continus convenables sur les trois électrodes. Cette opération se nomme la polarisation du transistor. Comme 12h est voisin de 0 et que 22h est petit, on peut encore simplifier le schéma. Dans ce modèle, le transistor se ramène à un circuit d’entrée qui la résistance 11h et à un circuit de sortie constitué par un générateur de courant BC ii . . Les variations du courant de sorties sont égales à  fois celle courant d’entrée. VCEVBE h12.VCE h11 h22 h21.IB IB IC VCE VBE h11 h21.IB IB IC IB IC IE