Les transistors

Utilité des transistors

Inventé en 1948 par les Américains J. Bardeen, W. Brattain et W. Shockley, le transistor est un composant à semi-conducteur qui remplit deux fonctions vitales en électronique: celles d’amplificateur (c’est un générateur de fort courant en sortie commandé par un faible courant en entrée) et de commutateur (à la manière d’un interrupteur marche/arrêt).
Certains transistors sont spécialisés dans l’une ou l’autre de ces fonctions, d’autres sont aptes à les remplir toutes deux (désignés « general purpose » en anglais).
Il existe en outre plusieurs familles technologiques de transistors; nous en reparlerons plus loin.

Précision importante: en dépit de son apparente « simplicité », le transistor demeure un composant assez complexe, aussi bien sur le plan théorique que pour sa mise en oeuvre. Nous nous bornerons ici à décrire son fonctionnement et ses principaux paramètres de manière très succinte.

Constitution et principe de fonctionnement d’un transistor à jonction

Un transistor à jonction bipolaire est un composant à semi-conducteur constitué de 2 jonctions P-N, très proches l’une de l’autre. Une diode ordinaire étant elle-même constituée d’une unique jonction P-N, on pourrait dire qu’un transistor contient 2 diodes.
Un transistor est formé de 3 zones (N-P-N ou P-N-P selon son type), tel qu’illustré sur le dessin ci-dessous. Chaque « zone » est reliée à une électrode: base (B), émetteur (E), collecteur (C). La base, on le constate, est très mince: son épaisseur est de l’ordre de quelques microns seulement.

D’une manière très schématique, on pourrait dire qu’une jonction P-N fonctionne comme suit: si elle n’est soumise à aucune tension extérieure, les électrons (charges négatives) sont majoritaires dans la zone N, les « trous » (charges positives) sont majoritaires dans la zone P et entre les deux, on trouve une zone « neutre », désertée. Appliquons maintenant une tension inverse à cette jonction: on augmente le champ électrique de la zone centrale, ce qui a pour effet de repousser encore plus loin les électrons de la zone N et les « trous » de la zone P. Conséquence: la zone « neutre » s’élargit, la diode est bloquée, ou non passante.
Si maintenant on inverse la polarité de la tension aux bornes de la jonction, c’est-à-dire si on lui applique une tension directe, supérieure à 0,7 V environ, on annule le champ électrique de la zone centrale (« neutre »), ce qui provoque le déplacement des charges négatives de la zone N vers les « trous » de la zone P: il y a donc circulation d’un courant électrique, la diode devient passante.

Effet transistor et gain en courant
Revenons au transistor et considérons le petit montage représenté sur le dessin ci-dessous.

La jonction E-B est polarisée dans le sens passant, mais la jonction B-C, polarisée en inverse, est bloquée. Il circule donc un courant de E à B, appelons-le Ib. La base, on s’en souvient, est une zone très étroite et les électrons qui arrivent de l’émetteur vont certes se combiner avec les « trous » (peu nombreux) de la base, mais ils seront en majorité fortement attirés vers la zone du collecteur par le champ électrique créé par la polarisation inverse de la jonction B-C: il en résulte, sous l’effet d’avalanche, un important courant de collecteur, Ic. C’est ce qu’on appelle l’effet transistor.
Le courant de collecteur Ic est proportionnel au courant de base Ib, le facteur ß (béta) étant le gain en courant. Cette relation est fondamentale:

I_c = ß I_b

Pour donner un ordre de grandeur, le gain en courant peut varier de 10 à 500, voire 1000, selon le modèle de transistor.
Quand la tension collecteur émetteur V_CE diminue pour devenir très faible, la jonction B-C cesse d’être polarisée en inverse, et l’effet transistor décroît alors très rapidement. A la limite, la jonction B-C devient aussi polarisée en direct: on n’a plus un transistor, mais l’équivalent de deux diodes en parallèle. On dit que le transistor est saturé.

Une analogie hydraulique est proposée ci-contre: un courant Ib assez faible permet l’ouverture du « robinet » (B), ce qui provoque via l’émetteur (E) l’écoulement d’un fort courant Ic en provenance du réservoir collecteur (C). Notez que lorsque le « robinet » est complètement ouvert, le courant Ic est maximal: il existe donc (on s’en doutait!) une limite physique au gain en courant. Cette analogie n’a qu’un but pédagogique, mais elle illustre assez bien l’effet transistor.

Transistors NPN et PNP

Il existe deux manières de disposer les jonctions P-N pour fabriquer un transistor:

• une zone N, une zone P et une zone N: on a alors un transistor NPN (c’est le modèle le plus répandu);
• une zone P, une zone N et une zone P: on a dans ce cas un transistor PNP.

Dans un transistor NPN, les courants de base Ib et de collecteur Ic sont rentrants, et le courant d’émetteur Ie est sortant. Dans un transistor PNP, les courants de base Ib et de collecteur Ic sont sortants, et le courant d’émetteur Ie est rentrant.

Attention! De l’extérieur, rien ne permet de distinguer un NPN d’un PNP, sinon la référence du modèle, sérigraphiée en caractères très petits! Ne confondez pas un BC327B (PNP) et un BC337B (NPN)…

Caractéristiques des transistors bipolaires

Considérons le montage ci-dessous, appelé en « émetteur commun », car la patte commune est l’émetteur du transistor PNP. L’entrée du montage est la base et la sortie le collecteur.

Dans ce montage, la base est polarisée par la résistance désignée Rb. Le potentiel de la base est d’environ 0,7 V, car l’émetteur est à la masse et la jonction base émetteur équivaut à une diode passante.
Le collecteur est polarisé par la résistance désignée Rc, de telle manière que la tension du collecteur soit supérieure à la tension de la base (V_CE > V_BE): la jonction base collecteur est alors polarisée en inverse.
L’entrée est caractérisée par les deux grandeurs I_B et V_BE, et la sortie par les grandeurs I_C et V_CE, soit 4 variables.

Caractéristiques d’entrée (à gauche) et de transfert (à droite) du transistor.

La figure ci-dessus montre les caractéristiques d’entrée et de transfert du transistor.
La caractéristique d’entrée du transistor correspond à la relation I_B = f (V_BE), V_CE étant constante. Cette caractéristique, on le constate, ressemble beaucoup, et pour cause, à celle d’une diode: en effet, la jonction base émetteur du transistor équivaut à une jonction de diode.
La caractéristique de transfert est définie par la relation I_C = f (I_B), V_CE étant constante. La caractéristique de transfert est une droite; on se souvient, nous l’avons vu plus haut, que le courant de collecteur Ic est proportionnel au courant de base Ib, le facteur ß (beta) étant appelé gain en courant. On peut donc dire que le transistor se comporte comme un générateur de courant commandé (ou « piloté ») par un courant.

On notera que l’origine de la droite ne passe pas par 0, mais par une valeur notée I_CEO, qui correspond au courant de fuite (leakage current, en anglais), courant circulant dans le collecteur. Cette valeur étant généralement très faible, on pourra le plus souvent la négliger.

La caractéristique de sortie du transistor (figure de gauche) correspond à la relation IC = f (VCE), IB étant constant. Dans la pratique, on trace plusieurs caractéristiques pour différentes valeurs de IB. La zone « grisée » correspond à la zone de saturation: quand la tension VCE diminue pour devenir très faible, la jonction collecteur-base cesse d’être polarisée en inverse, et l’effet transistor décroît alors très rapidement. L’autre partie du graphe montre que le courant de collecteur IC dépend très peu de la tension VCE: nous avons là la caractéristique d’un générateur de courant.

Les trois caractéristiques que nous venons de voir (entrée, transfert, sortie), sont généralement regroupées sur un graphique comme celui de la figure ci-contre. Ce graphique facilite le calcul de la valeur des résistances de base Rb et de collecteur Rc, nécessaires à la polarisation du transistor.

 
Désignation des transistors
Le nombre de modèles distincts de transistors produits depuis les années 50 dépasse sans doute les 100.000… Même si un très grand nombre de ces modèles ne sont plus disponibles parce que devenus obsolètes, les catalogues des fabricants comportent encore des centaines, voire des milliers de références. Comment s’y retrouver pour identifier un modèle particulier?
Il existe au moins trois normes de codage: la norme américaine JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), la norme européenne Pro Electron et la norme japonaise JIS (Japanese Industrial Standards).
La norme JEDEC affecte le préfixe 1N aux diodes, le préfixe 2N aux transistors, thyristors et triacs. Vient ensuite un numéro de série à quatre chiffres, puis éventuellement un suffixe, facultatif. Le suffixe A signifie « faible gain », B signifie « gain moyen », C signifie « gain élevé ».
Exemples: la 1N4148 est une diode, le 2N2222A est un transistor à faible gain.
La norme Pro Electron impose un codage comportant trois informations: une première lettre désigne le matériau semi-conducteur utilisé, une deuxième lettre renseigne sur la nature du composant, puis vient un groupe de trois chiffres (pour les produits « grand public ») ou deux chiffres et une lettre (produits industriels). Voici un récapitulatif simplifié:

Exemples: la BA159 est un diode signal, le BC547 est un transistor faible puissance, le BD135 est un transistor de puissance.
Tout ceci serait relativement clair s’il n’existait toutes sortes de dérogations… Ainsi, certains fabricants n’ont rien trouvé de mieux que d’inventer un codage « maison ». Voici quelques préfixes courants:
MJ: Motorola, puissance, boîtier métallique
MJE: Motorola, puissance, boîtier plastique (exemple: MJE3055)
MPS: Motorola, faible puissance, boîtier plastique
TIP: Texas Instruments, puissance, boîtier plastique (exemple: TIP35C)
Cette petite liste, bien entendu, n’est pas exhaustive…
Signalons d’autre part que sur les schémas américains ou japonais, les transistors sont souvent désignés par la lettre générique Q, alors qu’en France on préfère la lettre T.

Principaux paramètres des transistors bipolaires
Le néophyte sera sans doute effrayé par le nombre de paramètres d’apparence plus ou moins ésotérique figurant sur la fiche technique complète (data sheet) d’un transistor quelconque… En réalité, tous les paramètres ne présentent pas le même intérêt. Bien souvent, dans la pratique, le choix d’un modèle de transistor ne dépendra que de quelques paramètres.

A titre d’exemple, voici ce qu’on peut trouver dans un catalogue de fabricant:

« Package » signifie « boîtier »: il existe de nombreuses formes de boîtier, qui sont codifiées. En voici quelques exemples:

S’agissant du brochage de tel modèle particulier, il est impératif de se reporter à sa data sheet ou à un catalogue.
On notera que parmi les modèles représentés ci-dessus, les BD135, TIP140 et 2N3055 sont des transistors dits « de puissance ». Le 2N3055 peut dissiper 115 watts! En revanche, leur gain en courant est limité.

Le BC547 est sans doute l’un des transistors les plus répandus et il remplace bien souvent, sans autre forme de procès, des modèles moins courants. Si vous envisagez de constituer un stock, le BC547 et le 2N2222 sont des références à choisir en priorité.

Le montage en émetteur commun

Un transistor possède, on l’a vu, trois connexions, ou « pattes ». On procède toujours (ou presque) de manière à ce qu’il y ait une patte commune à l’entrée et à la sortie du montage, d’où trois montages possibles:

• en émetteur commun: la patte commune est l’émetteur, l’entrée est la base et la sortie le collecteur
• en base commune: la patte commune est la base, l’entrée est l’émetteur et la sortie le collecteur
• en collecteur commun: la patte commune est le collecteur, l’entrée est la base et la sortie l’émetteur

Le montage en émetteur commun est sans aucun doute le montage fondamental; il réalise la fonction amplification, essentielle en électronique. C’est lui que nous allons brièvement étudier.

Montage élémentaire (et quelque peu « théorique »!) en émetteur commun.

Mise en oeuvre du montage en émetteur commun

La mise en oeuvre d’un transistor requiert:

• une alimentation continue Vcc, qui fournit les tensions de polarisation et l’énergie que le montage sera susceptible de fournir en sortie;
• des résistances de polarisation. En effet, le transistor ne laisse passer le courant que dans un seul sens, comme  une diode: il va donc falloir le polariser, à l’aide de résistances, pour pouvoir y faire passer du courant alternatif (la composante alternative du courant étant petite devant la composante continue);
• un ou des condensateurs de liaison. Le plus souvent, le branchement de la source alternative d’entrée sur le montage se fera par l’intermédiaire d’un condensateur de liaison placé entre la source et le point d’entrée du montage à transistor (la base s’il s’agit d’un montage en émetteur commun). Bien que ce ne soit pas une règle absolue, le dispositif situé en aval du montage est lui aussi isolé par un condensateur de liaison.

Voyons tout cela de plus près. La résistance Rb fixe le courant de base Ib, ce qui détermine un courant de collecteur Ic égal à ß Ib, selon la formule désormais bien connue. Le courant collecteur étant fixé, la tension aux bornes de Rc est égale, en vertu de la loi d’Ohm, au produit de Rc par Ic.
Pour calculer les résistances Rb et Rc, il faut alors partir de Ic et de Vceo.
On fixe un courant collecteur de repos Ic (courant de polarisation). Ce courant variera entre une dizaine de µA (applications très faible bruit) et une dizaine de mA (meilleures performances en haute fréquence).
On fixe ensuite une tension de collecteur V_CE généralement égale à Vcc/2, de sorte que la tension du collecteur puisse varier autant vers le haut que vers le bas lorsqu’on appliquera le signal alternatif.
La valeur de la résistance de collecteur Rc, qui assure la polarisation de la jonction base-collecteur, est déterminée, toujours grâce à la loi d’Ohm, par le quotient de (Vcc – V_CE) par Ic.
La valeur de la résistance de base Rb, qui a pour rôle de fixer le courant de base, se calcule en divisant (Vcc -V_BE) par le courant Ib, en prenant V_BE = 0,7 V et Ib égal au quotient de Ic par ß.
Le montage étudié ci-dessus se révèle, dans la pratique, difficilement exploitable, en tout cas peu fiable. On a plutôt recours à un montage qui ressemble davantage à celui-ci, dont la base n’est pas polarisée par une unique résistance, mais par un pont de résistances:

Montage fonctionnel en émetteur commun avec polarisation par pont de base.

Simulons le fonctionnement de ce montage avec le logiciel PSpice: notre schéma s’articule autour d’un modèle de transistor très répandu, le 2N2222.

Ce schéma est rigoureusement identique au schéma précédent. Le transistor est un petit NPN standard référencé 2N2222. On retrouve les résistances de collecteur (R1), d’émetteur (R2) et du pont de base (R4 et R3). Le signal à amplifier est issu d’une source de tension alternative, de forme sinusoïdale. L’amplitude de ce signal est très faible, puisqu’elle vaut 0,01 volt.

Voici l’image du courant de base I_b:

Voici à présent l’image du courant de collecteur I_c (attention au changement d’échelle pour l’axe Y!):

On observe ici une amplification de I_c par rapport à I_b (le gain en courant, ou ß) de l’ordre de 150.
Ce qu’il faut en définitive retenir du montage en émetteur commun, c’est qu’il procure une très bonne amplification du courant.

De nos jours, toutefois, on n’utilise plus guère le transistor en tant que tel: on a plutôt recours à des circuits intégrés spécialisés (qui intègrent, comme leur nom l’indique, des transistors).

Le montage « darlington »
Le montage Darlington associe deux transistors, l’émetteur de l’un étant relié à la base de l’autre, les collecteurs étant directement raccordés à la tension d’alimentation, comme indiqué sur la figure ci-dessous:

Ces deux transistors ainsi montés se comportent comme un seul transistor, dont le gain ß est égal au produit des gains des deux transistors. On se doute qu’il s’agit, grâce à ce montage, d’obtenir une forte amplification. L’impédance d’entrée d’un tel montage est très grande et son impédance de sortie très faible.
A noter qu’il existe dans le commerce des transistors appelés « darlington », qui remplacent le montage du même nom. A titre d’exemple, voici les principaux paramètres de l’un d’eux:

V_CES signifie tension collecteur émetteur, avec V_BE = 0. Le modèle référencé BC875 est un NPN moyenne puissance (presque 1 watt); son PNP « complémentaire » est le BC878.

Le montage « push-pull »
Le montage push-pull (push, en anglais, signifie pousser, pull signifie tirer), encore appelé montage symétrique, est un grand classique en amplification de puissance des signaux alternatifs. Voici, brièvement, son principe:

Ce montage est construit autour de deux transistors, un NPN noté T1 et son PNP complémentaire, noté T2. Les deux transistors conduisent le courant de collecteur tour à tour, pendant une alternance du cycle alternatif. Ce qui revient à dire que chaque transistor est bloqué pendant une demi-période du signal alternatif et passant durant l’autre. Pour obtenir une amplification correcte, il est ici nécessaire d’employer deux transistors complémentaires (mêmes paramètres, seule la polarité, NPN ou PNP, diffère) et une alimentation symétrique.

Le transistor utilisé en commutateur
Le transistor remplit, outre l’amplification, une autre fonction essentielle en électronique: la commutation. Selon qu’il est bloqué ou passant, on peut alors l’assimiler à un interrupteur, ouvert ou fermé. Bien entendu, la commande de cet interrupteur n’est pas « manuelle »: elle se fait par l’intermédiaire de signaux électriques.

Dans ce petit montage, le transistor NPN ou PNP pilote une DEL de visualisation selon le niveau logique, haut ou bas (« 1 » ou « 0 »), du signal d’entrée.
Voici une version plus sophistiquée de ce montage: il permet de visualiser, à l’aide de trois DEL, l’état de trois entrées notées A, B et C. La table de vérité indique laquelle des DEL est allumée selon les différentes possibilités. Le rôle des transistors (par exemple des 2N2222, très répandus) consiste, comme ci-dessus, à piloter les DEL.

Notons au passage que les schémas proposés ici se prêtent tout particulièrement à des montages à vocation didactique, sur plaquette à connexions rapides, sans soudure.

Le 2N2222 est un transistor NPN destiné à la commutation rapide (high-speed switch, en anglais). Voici ses principaux paramètres:

 

Utilisé en commutateur, le transistor permet de réaliser des fonctions très complexes. Le montage ci-contre, associant un transistor PNP et un transistor NPN, équivaut à une porte logique NON. Lorsque la tension d’entrée Ve est nulle, le transistor NPN est bloqué, la tension de sortie Vs est égale à la tension d’alimentation. Si la tension d’entrée Ve est égale à la tension d’alimentation Vcc, c’est le transistor PNP qui est bloqué et alors la tension de sortie Vs est égale à 0. Ce montage est réalisé à l’aide de transistors complémentaires.

Le transistor à effet de champ (FET)
A titre documentaire, il existe une autre grande famille technologique de transistors: les transistors à effet de champ (Field Effect Transistor, en anglais, FET). On peut les définir comme des sources de courant commandées en tension.
On connaît deux types de transistors bipolaires: les NPN et les PNP. Le FET à jonction (ou JFET) est pareillement décliné en deux versions: le FET canal N et le FET canal P.
Le FET à jonction canal N est constitué d’une mince plaquette de silicium N qui va former le canal conducteur principal. Cette plaquette est recouverte partiellement d’une couche de silicium P, de manière à former une jonction PN latérale par rapport au canal.

Le courant entre par une première électrode, appelée le drain, circule dans le canal, et sort par une deuxième électrode, la source. L’électrode connectée à la couche de silicium P, la grille, sert à commander la conduction du courant dans le canal. Le transistor FET fonctionne toujours avec la jonction grille canal polarisée en inverse.
Le FET à jonction n’est pas adapté aux forts courants. Son domaine d’application se limite à l’amplification des petits signaux. On l’utilise notamment dans des montages à haute impédance d’entrée et faible bruit, tels que les préamplificateurs pour signaux de faible niveau. Ajoutons que la mise en oeuvre des FET s’avère très délicate. En revanche, les FET sont souvent intégrés dans des circuits comme les amplificateurs opérationnels (AOP), que nous verrons plus loin.