Transistor

Le transistor est le composant électronique actif fondamental en électronique utilisé principalement comme interrupteur commandé et pour l'amplification, mais aussi pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations.

Historique

Le transistor est issu de la Silicon Valley, il a été inventé le 23 décembre 1947 par les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Téléphone. Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.

Le transistor est considéré comme un énorme progrès face au tube électronique : beaucoup plus petit, léger, il est plus robuste, fonctionne avec des tensions faibles, autorisant une alimentation par piles, et il fonctionne instantanément une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage, généraient une consommation importante et nécessitaient une source de tension élevée (plusieurs centaines de volts).

Il a été rapidement assemblé, avec d'autres composants, au sein de circuits intégrés, ce qui lui permit de conquérir encore plus de terrain sur les autres formes d'électronique active.

Le transistor a constitué une invention déterminante sans laquelle l'électronique et l'informatique ne posséderaient pas leurs formes actuelles (2009).
 

Évolution du nombre de transistors intégrés dans un microprocesseur

1971 : 4004 : 2 300 transistors 1978 : 8086 : 29 000 transistors 1982 : 80286 275 000 transistors 1989 : 80486 : 1,16 million de transistors 1993 : Pentium : 3,1 millions de transistors 1995 : Pentium Pro : 5,5 millions de transistors 1997 : Pentium II : 27 millions de transistors 2001 : Pentium 4 : 42 millions de transistors 2004 : Pentium Extreme Edition : 169 millions de transistors 2006 : Core 2 Duo : 291 millions de transistors 2006 : Core 2 Quad : 582 millions de transistors 2008 : Core i7 : 730 millions de transistors 2007 : Dual-Core Itanium 2 : 1,9 milliard de transistors Autres : 2006 : G80 (NVIDIA) : 681 millions de transistors 2007 : POWER6 (IBM) : 291 millions de transistors 2008 : GT200 (NVIDIA) : 1,4 milliard de transistors 2008 : RV770 (ATI) : 965 millions de transistors 2009 : GT300 (NVIDIA) : 3 milliard de transistors

 

 1- Symbole 

2- Caractéristiques électriques d'un transistor NPN 

    Les caractéristiques électriques du transistor bipolaire sont unidirectionnelles. On peut donc les réunir sur un seul plan.

 











Observations 

• La fonction Ic = f(Vce) est maîtrisée par la valeur du courant de base. Celle-ci comporte essentiellement deux domaines ; la partie où Ic est peu variable pour une valeur de Ib c'est le régime linéaire, la partie coudée où la transistor est en régime saturé.
• La fonction Vbe = f(Ib) est celle d'une jonction PN entre la base et l'émetteur.
• La fonction Ic = f(Ib) caractérise " l'effet transistor " en régime linéaire. C'est une droite de pente b (ordre de grandeur de b » 100)
• En régime linéaire Ic » b.Ib et en régime saturé Ic < b.Ib
• En régime saturé Vce < 1Volt
• Au point M0 le transistor est bloqué. Entre son collecteur et son émetteur le transistor est équivalent à un interrupteur ouvert.
• Au point M1 le transistor est saturé. Entre son collecteur et son émetteur le transistor est équivalent à un interrupteur fermé.
• Par la variation spontanée du courant Ib de 0 à Ib4 ou inversement on peut passer de M0 à M1 ou inversement. Dans ce type de fonctionnement tout ou rien on dit que le transistor fonctionne en commutation.
• En faisant varier Ib tout en conservant le transistor en régime linéaire on peut utiliser le transistor en amplificateur de courant.
  

 3- Transistor en commutation 

 Exemple de structure 

Si Ve = 0 le transistor est bloqué.
Le transistor est saturé si Ic < b.Ib, c'est à dire si Vcc/Rc < b (Ve - Vbe) / Rb

Exemple de commande de relais :

  







  Le transistor permet de commander le relais en tout ou rien à partir du signal Ve. Le relais R comprend entre ses bornes un bobinage que l'on peut assimiler à une inductance L en série avec une résistance r. La diode D est une diode de roue libre qui assure la continuité du courant dans l'inductance du relais au blocage du transistor. Sans la diode D une surtension destructrice pour le transistor se produirait.

 4- Transistor en amplification 

    Le transistor est un composant unidirectionnel, pour amplifier des signaux sinusoïdaux il faut donc ajouter une composante continue appelée " polarisation " à chaque grandeur qui sollicite le transistor. Alors X = X₀ + x où x est le signal à amplifier et X₀ la composante continue. Il faut dans tous les cas pour un transistor NPN, X > 0. Donc la composante continue X0 doit être plus grande que l'amplitude de x.
    En régime linéaire le principe de superposition est applicable, on distinguera donc l'étude de la polarisation et de l'amplification des signaux.

 4.1- Modèle du transistor en petits signaux 

  












  La polarisation fixe Vbe₀, Ib₀, Ic₀, Vce₀. Autour de la polarisation se déplace le point de fonctionnement du transistor quand sont appliqués les petits signaux à amplifier. Vis à vis des petits signaux les propriétés du transistor sont dont caractérisées par les pentes des tangentes aux points de polarisation. Ce sont les paramètres du transistor en petits signaux. Ils varient en fonction du choix du point de polarisation.
    On en déduit les équations pour les petits signaux :
vbe = rbe.ib
ic = b.ib
ic = b.ib + vce/r
    Conformément à ces équations, en petits signaux le transistor peut être modélisé par le circuit électrique suivant :

 4.2- Polarisation du transistor 

   











Dans la structure 1 :
Ic₀ = b.(Vcc - Vbe₀) / R1
    Le point de repos dépend beaucoup de b. Mais b varie d'un transistor à l'autre bien que la référence soit la même et pour un même transistor en fonction de la température. Ce montage très simple est donc difficilement utilisable.

    Dans la structure 2 :

Le pont R1, R2 sur Vcc peut être remplacé par son modèle de Thévenin:
Ic₀ = b.(Vb - Vbe₀) / (Rb + [b +1].Re)
En choisissant Rb faible devant [b +1]Re alors Ic₀ » (Vb - Vbe₀) / Re devient pratiquement insensible à b.
    Dans la structure 2, le point de polarisation est donc stable en température et l'interchangeabilité des transistors est possible.

 4.3- Amplificateur émetteur commun 

   









La structure 2 est retenue pour créer la polarisation. Les petits signaux à amplifier sont injectés au travers d'un condensateur de liaison Ce. Ainsi la polarisation n'est pas modifiée par le branchement du générateur ve. De même la charge RL est attaquée au travers du condensateur de liaison Cs. Le condensateur C permet par sa très faible impédance par rapport à Re dans la bande passante d'appliquer ve sur la jonction base-émetteur.
    La source de tension continue Vcc est une source de tension nulle en petits signaux.
    Pour les petits signaux et dans la bande passante, les condensateurs de liaison Ce et Cs ainsi que C ont des impédances négligeables devant celles du circuit et la structure se comporte comme le schéma suivant :

On en déduit :

• L'amplification en tension dans la bande passante :
  Av = vs / ve = - b (r //Rc//RL) / rbe
• L'impédance d'entrée de l'amplificateur dans la bande passante :
  Ze = (R1//R2//rbe)
• L'impédance de sortie dans la bande passante :
  Zs = (Rc//r )

Cette structure se comporte en amplificateur inverseur.

 4.4- Amplificateur collecteur commun 

   








La source de tension continue Vcc est une source de tension nulle en petits signaux.
    Pour les petits signaux et dans la bande passante, les condensateurs de liaison Ce et Cs ont des impédances négligeables devant celles du circuit et la structure se comporte comme le schéma suivant :

On en déduit :

• L'amplification en tension dans la bande passante :
  Av = vs / ve » 1
• L'impédance d'entrée de l'amplificateur dans la bande passante :
  Ze = (R1//R2//[rbe+b {r //Re//RL}])
• L'impédance de sortie dans la bande passante :
  Zs = rbe/(b+1)
  

    Cette structure se comporte en étage suiveur avec une relativement forte impédance d'entrée et une faible impédance de sortie.

 4.5- Amplificateur base commune 

   









La source de tension continue Vcc est une source de tension nulle en petits signaux.
    Pour les petits signaux et dans la bande passante, les condensateurs de liaison Ce et Cs ont des impédances négligeables devant celles du circuit et la structure se comporte comme le schéma suivant (si on considère r très grand) :

On en déduit :

• L'amplification en tension dans la bande passante :
  Av = vs / ve = b (Rc//RL) / rbe
• L'impédance d'entrée de l'amplificateur dans la bande passante :
  Ze = (Re//rbe)
• L'impédance de sortie dans la bande passante :
  Zs = Rc

Cette structure se comporte en amplificateur non inverseur.

 5- Structures à transistors 

 5.1- Montage Darlington 

En régime linéaire (Vce > 2Volts):
Ic = Ic1+Ic2 = b1.Ib1+b2.Ib2 = b1.Ib1+b2 (b1+1)Ib1 » b1.b2.Ib1

La structure fonctionne comme un transistor bipolaire ayant une très forte amplification en courant.
Mais le niveau de saturation Vcesat est élevé, Vcesat = Vce1sat + Vbe2 » 1,5V
Le seuil Vbe = Vbe1 + Vbe2 » 1,4V

 5.2- Etage " push pull " 

T1 et T2 sont des transistors complémentaires de même amplification b.
Si Is > 0 c'est T1 qui travaille IC1 » Is et T2 est bloqué Ic2 = 0
Si Is < 0 c'est T2 qui travaille IC2 » -Is et T1 est bloqué Ic1 = 0
En régime linéaire ([Vcc-1Volt] > Vs > [-Vcc +1Volt]), Is » b.Ib

La structure est un étage amplificateur de courant.

Vs = Ve + Vbe

Mais Vbe = 0,7V si Is > 0 et -0,7V si Is < 0. Il y a donc distorsion du signal Vs par rapport à Ve. A ce défaut près la structure est suiveur de tension.
Si l'étage est placé dans la chaîne d'action d'un système bouclé, la distorsion en sortie peut être éliminée. Par exemple : ici Vs = Ve et la distorsion est reportée sur la sortie de l'ALI.