Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire comment les transistors peuvent être utilisés comme interrupteurs électriques dans les circuits.
La propriété la plus importante d’un transistor est qu’il peut se comporter comme un interrupteur. Plus précisément, un transistor peut faire en sorte qu’une petite variation de courant provoque une variation de courant beaucoup plus importante.
Un transistor est constitué de trois types de semi-conducteurs dopés.
Un semi-conducteur dopé de type N est constitué d’un réseau atomique qui contient plus d’électrons libres que d’atomes contenant des trous d’électrons sur leur couche externe.
Un semi-conducteur dopé de type P est constitué d’un réseau atomique qui contient plus d’atomes contenant des trous d’électrons sur leur couche externe que d’électrons libres.
On peut former un transistor en plaçant un semi-conducteur de type P entre deux semi-conducteurs de type N. On peut également former un transistor en plaçant un semi-conducteur de type N entre deux semi-conducteurs de type P.
Ces deux types de transistors sont représentés sur la figure suivante.
Les deux types de transistors NPN et PNP sont constitués de trois zones.
Lorsqu’on souhaite relier un transistor à un circuit, il faut relier chacune de ces zones au circuit.
Les trois zones d’un transistor sont appelées
- l’émetteur,
- le collecteur,
- la base.
La base est beaucoup moins dopée que l’émetteur.
Un montage dans lequel les trois zones sont reliées de cette manière s’appelle un montage à émetteur commun. C’est ce qui est représenté sur la figure suivante.
On voit que le transistor utilisé dans le circuit est un transistor de type NPN.
Pour que le courant circule dans ce circuit, il faut qu’il y ait une différence de potentiel aux bornes d’une partie du circuit. Dans un circuit avec un transistor, il y a en fait une source de tension dans chaque boucle du circuit. Il faut également inclure une résistance dans chaque boucle du circuit.
Le circuit avec tous ses composants est représenté sur la figure suivante.
On peut représenter un circuit avec un transistor en utilisant un symbole spécifique. Ce symbole est représenté sur la figure suivante.
Pour un transistor de type PNP, le symbole est légèrement différent, comme le montre la figure suivante.
Rappelons que si l’on applique une différence de potentiel aux bornes d’un matériau semi-conducteur de type N ou de type P, cela a pour effet de créer une polarisation directe ou inverse aux bornes de ce matériau.
Considérons un exemple avec un circuit contenant un transistor.
Exemple 1: Identifier les zones d’un transistor
Un transistor NPN est relié à deux sources de courant continu, comme indiqué sur le schéma. Les deux zones N sont identiques.
- Quelle zone du transistor correspond au collecteur ?
- Quelle zone du transistor correspond à l’émetteur ?
Réponse
Partie 1
La borne positive de la source reliée à la fois à et est reliée à .
Dans un montage à émetteur commun, la borne positive de la source reliée à et est reliée au collecteur.
Ainsi, est le collecteur.
Partie 2
La borne négative de la source reliée à la fois à et est reliée à .
Dans un montage à émetteur commun, la borne négative de la source reliée à et est reliée à l’émetteur.
Ainsi, est l'émetteur.
Le courant circulant dans un transistor est affecté par la polarisation aux bornes de la base et par celles des zones voisines.
La figure suivante représente comment les matériaux de type P et N d’un transistor NPN répondent aux différences de potentiel appliquées par les sources de tension dans le circuit. Les électrons libres sont représentés par des rond bleus. Les trous d’électrons sont représentés par des cercles rouges.
On peut voir quatre choses importantes sur cette figure :
- La zone correspondante à la base est plus fine que les zones correspondantes au collecteur et à l’émetteur. Dans un transistor réel, la base est une zone beaucoup plus fine que les autres zones. La différence d’épaisseur est beaucoup plus grande que celle représentée sur le schéma.
- La concentration de trous d’électrons dans la base est très inférieure à la concentration d’électrons libres dans les zones de l’émetteur et du collecteur.
- L’émetteur est polarisé de manière directe et le collecteur est polarisé de manière indirecte.
- Les bornes négatives des deux sources de tension ont le même potentiel.
Les courants dans les différentes parties de ce circuit dépendent des propriétés des semi-conducteurs et des dimensions des zones de l’émetteur, de la base et du collecteur.
Dans le circuit, les courants circulant dans les différentes zones du transistor sont les suivants :
- Un courant circule depuis la zone de l’émetteur. On le note .
- Un courant circule vers la zone du collecteur. On le note .
- Un courant circule vers la base. On le note .
Ces courants sont représentés sur la figure suivante. Le flux d’électrons libres est également représenté.
On voit que le courant est dû aux électrons libres circulant de l’émetteur vers la base.
Ces électrons libres circulent de l’émetteur vers la base à cause de la polarisation directe existante de l’émetteur vers le collecteur. La plupart de ces électrons ont une énergie suffisante pour surmonter l’effet de la polarisation indirecte aux bornes du collecteur et passer dans la zone du collecteur.
Une petite partie des électrons situés dans la zone de l’émetteur occupent les trous d’électrons dans la base. Le courant circulant dans la base est constitué de ces électrons.
La différence entre et dépend de l’épaisseur de la base et de la différence de concentration en dopant entre l’émetteur et la base.
Il existe une formule reliant les courants circulant dans un transistor.
Formule : La relation entre les courants circulant dans l’émetteur, la base et le collecteur
Les valeurs du courant dans le collecteur, , du courant dans l’émetteur, et du courant dans la base, , sont reliés de la manière suivante :
Dans un transistor, le rapport entre et est une valeur importante. Pour un montage à émetteur commun, la valeur de est généralement très inférieure à celle de . Cela est dû au fait que la base a une concentration en dopant et une épaisseur plus faible que le collecteur.
Le rapport entre et peut être déterminé en exprimant comme une fraction de . Le coefficient de proportionnalité entre et est noté . Cela signifie que
Il faut donc que
Le rapport entre et est donc donné par où est appelé le gain en courant du circuit.
Formule : Gain en courant dans un montage à émetteur commun
Le gain en courant d’un circuit à transistors, , est donné par où est le courant du collecteur et est le courant de la base.
La différence entre et dépend de l’épaisseur de la base et de la différence de concentration en dopant entre l’émetteur et la base.
Pour un circuit où on a donc et par conséquent est très grand.
La figure suivante représente un transistor avec un montage à émetteur commun, avec chaque grandeur associée à son élément du circuit.
Les courants , et sont représentés avec
- , la différence de potentiel aux bornes du collecteur et de l’émetteur,
- , la différence de potentiel aux bornes du collecteur et de l’émetteur,
- , la différence de potentiel aux bornes de la base et de l’émetteur,
- , la résistance s’opposant au courant du collecteur,
- , la résistance s’opposant au courant de la base.
La zone de l’émetteur a un potentiel nul par rapport à et .
est appelé le potentiel d’entrée et le potentiel de sortie.
Considérons un exemple de courants circulant dans un circuit avec un transistor.
Exemple 2: Détermination des courants dans un transistor
Un transistor de type NPN est relié à un générateur de tension . Un générateur de tension est relié aux bornes de l’émetteur et de la base du transistor, comme indiqué sur le schéma. Dans ce circuit, il y a un courant entre et la borne du collecteur, un courant entre et la borne de l’émetteur et un courant entre et la borne de la base.
- Calcule .
- Détermine la vitesse à laquelle les électrons libres se diffusant dans la base occupent les trous d’électrons. On utilisera pour la charge d’un électron. On donnera une réponse en notation scientifique au dixième près.
Réponse
Partie 1
Les courants dans le circuit sont reliés par l’équation En remplaçant les valeurs données dans l’énoncé, nous avons
Partie 2
On considère que le courant circulant dans la base est entièrement constitué d’électrons libres qui occupent les trous d’électrons dans la base. Le courant dans la base vaut 0,5 mA, qui vaut . Un ampère est égal à un coulomb par seconde.
Le nombre d’électrons, , occupant des trous d’électrons par seconde pour produire ce courant est donnée par
En notation scientifique, au dixième près, vaut .
Considérons un exemple où il faut déterminer le gain en courant dans un transistor.
Exemple 3: Détermination du gain en courant pour un circuit contenant un transistor
Un transistor de type NPN est relié à un générateur de tension . Un générateur de tension est relié aux bornes de l’émetteur et de la base du transistor, comme indiqué sur le schéma. Dans ce circuit, il y a un courant entre et la borne du collecteur, un courant entre et la borne de l’émetteur et un courant entre et la borne de la base.
- Calcule .
- Le gain en courant continu du transistor est égal au rapport entre et . Calcule le gain en courant continu du transistor.
Réponse
Partie 1
Les courants dans le circuit sont reliés par l’équation
Nous pouvons exprimer en fonction des autres termes, ce qui nous donne
En remplaçant les valeurs données dans l’énoncé, nous avons
Partie 2
Le gain en courant de base, , est donné par l’équation
En remplaçant les valeurs données dans l’énoncé, nous avons
La deuxième loi de Kirchhoff dit que, dans un circuit avec un transistor,
On sait que, dans un tel circuit, le courant du collecteur et le courant de la base sont reliés par le gain en courant selon l’équation
Cela signifie que l’on peut modifier la valeur de en augmentant le potentiel d’entrée, puisqu’en augmentant on augmente .
On peut appeler le courant d’entrée et le courant de sortie.
Si est constant, le rapport entre et est constant pour un transistor donné. On voit alors que si le courant d’entrée augmente, le courant de sortie augmente aussi.
Considérons un exemple avec des variations de courant dans un circuit avec un transistor.
Exemple 4: Relation entre les variations de courant dans un circuit avec un transistor
Un transistor de type NPN est relié à un générateur de tension . Un générateur de tension est relié aux bornes de l’émetteur et de la base du transistor, comme indiqué sur le schéma. Dans ce circuit, il y a un courant entre et la borne du collecteur, un courant entre et la borne de l’émetteur et un courant entre et la borne de la base. Une résistance externe est placée entre et la borne du collecteur et une résistance externe est placée entre et la borne de la base. La différence de potentiel entre les bornes du collecteur et de l’émetteur est .
- Si l’on réduit la valeur de est réduite, quel est l’effet sur la valeur de ?
- augmente.
- diminue.
- est constant.
- Si l’on augmente la valeur de , quel est l’effet sur la valeur de ?
- est constant.
- augmente.
- diminue.
Réponse
Partie 1
Quand diminue, augmente.
D’après l’équation nous voyons que comme est une constante, lorsque augmente, augmente aussi.
Partie 2
Quand augmente, diminue.
D’après l’équation nous voyons que puisque est une constante, lorsque diminue, diminue.
La relation entre les valeurs d’entrée et de sortie du courant n’est pas directement proportionnelle.
Cela signifie que la valeur du gain en courant n’est pas réellement constante, mais est approximativement constante pour certaines valeurs de et .
Pour illustrer comment une faible variation de peut avoir un grand impact sur , commençons par regarder l’impact d’une petite variation sur un petit nombre utilisé pour diviser un nombre beaucoup plus grand.
Par exemple, considérons l’équation
Soit et .
Nous avons alors
Maintenant, supposons que nous avons
Disons que est égal à 0,001.
Cela signifie que augmente de 0,001 et que diminue de 0,001.
Nous avons alors
Nous voyons qu’une variation de de 0,001 a pour effet d’augmenter de 501.
Maintenant, supposons que vaille 0,0 015.
Nous avons alors
Nous voyons qu’une variation de de 0,0 015 a pour effet d’augmenter de 1 503.
Un graphique représentant en fonction de montre à quel point la variation de peut être importante comparée à la variation de .
Nous pouvons identifier deux zones dans ce graphique. Dans la première zone, la valeur de est plus ou moins constante lorsque la valeur de varie et dans la deuxième zone, la valeur de est plus ou moins constante lorsque varie. Ces deux zones correspondent à des valeurs de gain en courant approximativement constantes pour un transistor lorsqu’il se comporte comme un interrupteur fermé et ouvert.
Nous pouvons aussi considérer les potentiels d’entrée et de sortie au lieu des courants d’entrée et de sortie.
À partir de l’équation nous pouvons voir que la valeur minimale du potentiel de sortie est obtenue pour la valeur maximale de .
Si le potentiel d’entrée diminue, le courant d’entrée et le courant de sortie diminuent. Le courant de sortie est nul si le courant d’entrée est nul.
Si le courant de sortie est nul, on obtient la valeur maximale du potentiel de sortie.
Un graphique représentant les variations du potentiel de sortie d’un transistor en fonction de son potentiel d’entrée est représenté sur la figure suivante.
Résumons maintenant ce que nous avons vu dans cette fiche explicative.
Points clés
- Un transistor est constitué de deux semi-conducteurs de type N placés de chaque côté d’un semi-conducteur de type P (NPN) ou de deux semi-conducteurs de type P placés de chaque côté d’un semi-conducteur de type N (PNP).
- Un transistor possède des bornes correspondantes au collecteur, à l’émetteur et à la base. Il existe une borne pour chaque zone de semi-conducteurs.
- Un transistor est utilisé dans un circuit qui contient deux sources de tension. Les sources de tension créent une polarisation directe de l’émetteur et une polarisation inverse du collecteur.
- Les valeurs des courants dans les différentes parties du circuit dépendent des propriétés des semi-conducteurs et des dimensions des zones associées à l’émetteur, à la base et au collecteur.
- Les courants dans l’émetteur, ,dans le collecteur, et dans la base, , sont reliés par la formule
- Les courants dans l’émetteur, et dans le collecteur, , sont reliés par la formule où est une constante.
- Le courant dans le collecteur, et dans la base, , sont reliés par la formule où est le gain en courant du circuit.
- Une petite variation de la valeur de peut provoquer une variation beaucoup plus importante de , ce qui permet donc d’utiliser un transistor comme un interrupteur permettant d’activer ou de désactiver la circulation de .
