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Fiche explicative de la leçon : Transistors Physique

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.

  1. Quelle zone du transistor correspond au collecteur?
  2. Quelle zone du transistor correspond à l’émetteur?

Réponse

Partie 1

La borne positive de la source reliée à la fois à N et N est reliée à N.

Dans un montage à émetteur commun, la borne positive de la source reliée à N et N est reliée au collecteur.

Ainsi, N est le collecteur.

Partie 2

La borne négative de la source reliée à la fois à N et N est reliée à N.

Dans un montage à émetteur commun, la borne négative de la source reliée à N et N est reliée à l’émetteur.

Ainsi, N 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 𝐼E.
  • Un courant circule vers la zone du collecteur. On le note 𝐼C.
  • Un courant circule vers la base. On le note 𝐼B.

Ces courants sont représentés sur la figure suivante. Le flux d’électrons libres est également représenté.

On voit que le courant 𝐼E 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 𝐼B et 𝐼C 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, 𝐼C, du courant dans l’émetteur, 𝐼E et du courant dans la base, 𝐼B , sont reliés de la manière suivante:𝐼=𝐼+𝐼.ECB

Dans un transistor, le rapport entre 𝐼C et 𝐼B est une valeur importante. Pour un montage à émetteur commun, la valeur de 𝐼B est généralement très inférieure à celle de 𝐼C. Cela est dû au fait que la base a une concentration en dopant et une épaisseur plus faible que le collecteur.

Le rapport entre 𝐼C et 𝐼B peut être déterminé en exprimant 𝐼C comme une fraction de 𝐼E. Le coefficient de proportionnalité entre 𝐼C et 𝐼E est noté 𝛼. Cela signifie que 𝐼=𝐼𝛼.CE

Il faut donc que 𝐼=𝐼(1𝛼).BE

Le rapport entre 𝐼C et 𝐼B est donc donné par 𝐼𝐼=𝐼𝛼𝐼(1𝛼)𝐼𝐼=𝛼1𝛼=𝛽,CBEECB𝛽 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, 𝛽, est donné par 𝛽=𝐼𝐼,CB𝐼C est le courant du collecteur et 𝐼B est le courant de la base.

La différence entre 𝐼B et 𝐼C 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 𝐼𝐼,BC on a donc 𝛼1 et par conséquent 𝛽 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 𝐼C, 𝐼E et 𝐼B sont représentés avec

  • 𝑉CC, la différence de potentiel aux bornes du collecteur et de l’émetteur,
  • 𝑉CE, la différence de potentiel aux bornes du collecteur et de l’émetteur,
  • 𝑉BE, la différence de potentiel aux bornes de la base et de l’émetteur,
  • 𝑅C, la résistance s’opposant au courant du collecteur,
  • 𝑅B, la résistance s’opposant au courant de la base.

La zone de l’émetteur a un potentiel nul par rapport à 𝑉CC et 𝑉BE.

𝑉BE est appelé le potentiel d’entrée et 𝑉CE 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 𝑉CC. Un générateur de tension 𝑉EB 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 𝐼=99,5CmA entre 𝑉CC et la borne du collecteur, un courant 𝐼E entre 𝑉EB et la borne de l’émetteur et un courant 𝐼=0,5BmA entre 𝑉EB et la borne de la base.

  1. Calcule 𝐼E.
  2. Détermine la vitesse à laquelle les électrons libres se diffusant dans la base occupent les trous d’électrons. On utilisera 1,6×10C 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 𝐼=𝐼+𝐼.ECB En remplaçant les valeurs données dans l’énoncé, nous avons 𝐼=99,5+0,5=100.EmAmAmA

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 5×10A. Un ampère est égal à un coulomb par seconde.

Le nombre d’électrons, 𝑛 , occupant des trous d’électrons par seconde pour produire ce courant est donnée par 𝑛=5×10/1,6×10.CsC

En notation scientifique, au dixième près, 𝑛 vaut 3,1×10s.

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 𝑉CC. Un générateur de tension 𝑉EB 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 𝐼=99,5CmA entre 𝑉CC et la borne du collecteur, un courant 𝐼=100,0EmA entre 𝑉EB et la borne de l’émetteur et un courant 𝐼B entre 𝑉EB et la borne de la base.

  1. Calcule 𝐼B.
  2. Le gain en courant continu du transistor est égal au rapport entre 𝐼C et 𝐼B. Calcule le gain en courant continu du transistor.

Réponse

Partie 1

Les courants dans le circuit sont reliés par l’équation 𝐼=𝐼+𝐼.ECB

Nous pouvons exprimer 𝐼B en fonction des autres termes, ce qui nous donne 𝐼𝐼=𝐼.ECB

En remplaçant les valeurs données dans l’énoncé, nous avons 𝐼=10099,5=0,5.BmAmAmA

Partie 2

Le gain en courant de base, 𝛽, est donné par l’équation 𝛽=𝐼𝐼.CB

En remplaçant les valeurs données dans l’énoncé, nous avons 99,50,5=199.mAmA

La deuxième loi de Kirchhoff dit que, dans un circuit avec un transistor, 𝑉=𝑉𝐼𝑅.CECCCC

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 𝐼=𝛽𝐼.CB

Cela signifie que l’on peut modifier la valeur de 𝐼C en augmentant le potentiel d’entrée, puisqu’en augmentant 𝑉BE on augmente 𝐼B.

On peut appeler 𝐼B le courant d’entrée et 𝐼C le courant de sortie.

Si 𝛽 est constant, le rapport entre 𝐼B et 𝐼C 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 𝑉CC. Un générateur de tension 𝑉EB 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 𝐼C entre 𝑉CC et la borne du collecteur, un courant 𝐼E entre 𝑉EB et la borne de l’émetteur et un courant 𝐼B entre 𝑉EB et la borne de la base. Une résistance externe 𝑅C est placée entre 𝑉CC et la borne du collecteur et une résistance externe 𝑅B est placée entre 𝑉EB et la borne de la base. La différence de potentiel entre les bornes du collecteur et de l’émetteur est 𝑉CE.

  1. Si l’on réduit la valeur de 𝑅B est réduite, quel est l’effet sur la valeur de 𝐼C?
    1. 𝐼C augmente.
    2. 𝐼C diminue.
    3. 𝐼C est constant.
  2. Si l’on augmente la valeur de 𝑅B, quel est l’effet sur la valeur de 𝐼C?
    1. 𝐼C est constant.
    2. 𝐼C augmente.
    3. 𝐼C diminue.

Réponse

Partie 1

Quand 𝑅B diminue, 𝐼B augmente.

D’après l’équation 𝐼=𝛽𝐼,CB nous voyons que comme 𝛽 est une constante, lorsque 𝐼B augmente, 𝐼C augmente aussi.

Partie 2

Quand 𝑅B augmente, 𝐼B diminue.

D’après l’équation 𝐼=𝛽𝐼,CB nous voyons que puisque 𝛽 est une constante, lorsque 𝐼B diminue, 𝐼C 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 𝐼B et 𝐼C.

Pour illustrer comment une faible variation de 𝐼B peut avoir un grand impact sur 𝐼C, 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 𝑛=𝑎𝑏.

Soit 𝑎=1 et 𝑏=0,002.

Nous avons alors 𝑛=10,002=500.

Maintenant, supposons que nous avons Δ𝑚=Δ𝑎=Δ𝑏.

Disons que Δ𝑚 est égal à 0,001.

Cela signifie que 𝑎 augmente de 0,001 et que 𝑏 diminue de 0,001.

Nous avons alors 𝑛=1,0010,001=1001.

Nous voyons qu’une variation de 𝑚 de 0,001 a pour effet d’augmenter 𝑛 de 501.

Maintenant, supposons que Δ𝑚 vaille 0,0‎ ‎015.

Nous avons alors 𝑛=1,00150,0005=2003.

Nous voyons qu’une variation de 𝑚 de 0,0‎ ‎015 a pour effet d’augmenter 𝑛 de 1‎ ‎503.

Un graphique représentant 𝑛 en fonction de 𝑚 montre à quel point la variation de 𝑛 peut être importante comparée à la variation de 𝑚.

Nous pouvons identifier deux zones dans ce graphique. Dans la première zone, la valeur de 𝑛 est plus ou moins constante lorsque la valeur de 𝑚 varie et dans la deuxième zone, la valeur de 𝑚 est plus ou moins constante lorsque 𝑛 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 𝑉=𝑉𝐼𝑅,CECCCC nous pouvons voir que la valeur minimale du potentiel de sortie est obtenue pour la valeur maximale de 𝐼C.

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, 𝐼E ,dans le collecteur, 𝐼C et dans la base, 𝐼B, sont reliés par la formule 𝐼=𝐼+𝐼.ECB
  • Les courants dans l’émetteur, 𝐼E et dans le collecteur, 𝐼C, sont reliés par la formule 𝐼=𝐼𝛼,CE𝛼 est une constante.
  • Le courant dans le collecteur, 𝐼C et dans la base, 𝐼B, sont reliés par la formule 𝐼𝐼=𝛼1𝛼=𝛽,CB𝛽 est le gain en courant du circuit.
  • Une petite variation de la valeur de 𝐼B peut provoquer une variation beaucoup plus importante de 𝐼C, ce qui permet donc d’utiliser un transistor comme un interrupteur permettant d’activer ou de désactiver la circulation de 𝐼C.

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