VI. Transistor. Principe de fonctionnement

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L'effet transistor. Transistor bipolaire, principe. Caractéristiques électriques du transistor bipolaire. Transistor unipolaire, principe.

1. Introduction : l’effet transistor

Avec l’apparition des semi-conducteurs et l’intégration des circuits, le transistor (contraction du terme anglais transfer resistor a été découvert par Shockley, Bardain et Brattain des laboratoires Bell.

Il se présente comme un dispositif à trois électrodes : le courant circulant dans deux électrodes peut être modulé soit par un courant, soir par un potentiel appliqué à la troisième électrode qui exerce ainsi une fonction de commande.

Dans le premier cas, la troisième électrode est la base. Elle contrôle le courant circulant de l’émetteur vers le collecteur.

Dans le deuxième cas, cette électrode porte le nom de grille (comme dans le tube à vide triode). Celle-ci contrôle le courant circulant entre les deux autres appelés respectivement la source et le drain.

Il apparaît ainsi deux grandes familles de transistors :

  • les transistors bipolaires, commande réalisée par un courant ;

  • les transistors unipolaires, dits à effet de champ (\(TEC\) ou \(FET\) en anglais), contrôle réalisé par une tension.

2. Transistor bipolaire. Principe

2.1. Émetteur, base et collecteur

Le transistor bipolaire est constitué par l’association, dans un même cristal de semi-conducteur de deux diodes [NP, PN] ou [PN, NP] (comme indiqué sur la figure). Dans la configuration présentée, le transistor est de type P (zone médiane).

Le transistor bipolaire tient son nom du fait qu’interviennent les deux types de porteurs dans les semi-conducteurs dans son fonctionnement : les électrons (n) et les trous (p).

En polarisation normale du transistor, la jonction émetteur – base EB est polarisée dans le sens direct, tandis que la jonction collecteur – base CB est polarisée en sens inverse.

Pour fixer les idées, examinons succinctement comment se répartissent les divers courants dans le cristal dans l’hypothèse d’une polarisation normale.

La jonction émetteur – base est polarisée en direct, donc le sens est passant. Elle est traversée par un flux d’électrons \(\varphi_e\) de l’émetteur vers la base et par un flux de trous \(\varphi_p\).

Le courant d’émetteur \(I_E\) est donc la somme de deux courants (courant d’électrons \(I_{ne}\) et courant de trous \(I_{pe}\)) : \[I_E=I_{ne}+I_{pe}\]

Sa partie utile est en fait constituée par le courant d’électrons \(I_{ne}\).

On définit un coefficient d’injection de l’émetteur comme le rapport : \[\gamma=\frac{I_{ne}}{I_E}\]

2.2. Des limites liées à la physique

Les porteurs minoritaires, électrons éventuellement, dans un cristal de semi-conducteur de type P, vont occuper les places vacantes constituées par les trous, donc se recombiner.

Rappelons que la longueur de diffusion est la distance moyenne que peut parcourir un porteur minoritaire avant de se recombiner avec un trou. La distance entre les deux jonctions extrêmes, donc l’épaisseur de la zone centrale, doit donc être inférieure à la longueur de diffusion dans cette zone. Si cette condition n’était pas remplie, tout se passerait comme s’il s’agissait de deux diodes tête-bêche. Autrement dit, il n’y aurait pas d’effet transistor.

Une proportion des électrons constituant le courant \(I_n\) atteindra la jonction collecteur-base, sous réserve, ici aussi, que l’épaisseur de la base soit également inférieure à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires.

3. Caractéristiques électriques du transistor bipolaire

Nous avons défini un coefficient \(\gamma\) d’injection de l’émetteur.

Une bonne proportion des électrons constituant le courant \(I_{ne}\) que l’on peut exprimer par le rapport \(I_{ce}/I_{ne}\) atteindra la jonction collecteur – base, sachant que l’épaisseur de la base est inférieure à la longueur de diffusion des électrons (porteurs minoritaires).

Une petite partie de ces électrons se recombineront avec des trous présents dans la base et participeront au courant de base. On peut ainsi définir un coefficient de transport de base, rapport entre le nombre d’électrons atteignant la jonction collecteur – base et le nombre d’électrons injectés dans la base : \[\beta=\frac{I_{nc}}{I_{ne}}\]

Le courant \(I_C\) dans l’électrode du collecteur sera essentiellement constitué par le courant \(I_{nc}\) d’électrons, mais la jonction collecteur – base étant polarisée en sens inverse sera le siège d’un courant parasite. Ce courant de fuite de la jonction, lié au fait que l’agitation thermique dans le cristal libère de temps en temps un électron, engendre un trou dans les zones de base et de collecteur.

Ce courant de fuite noté \(I_{CO}\) est constitué par les trous générés par agitation thermique dans le collecteur et traversant la jonction vers la base et par les électrons générés dans la base et allant vers le collecteur. On aura donc : \[I_C=I_{nc}+I_{CO}=\beta~I_{ne}+I_{CO}\]

ou encore : \[I_C=\beta~\gamma~I_E+I_{CE}\]

Ce produit du coefficient de transport \(\beta\) dans la base et du coefficient d’injection de l’émetteur \(\gamma\) est désigné par \(\alpha\). C’est le gain en courant du transistor dans son utilisation dite en base commune : \[I_C=\alpha~I_E+I_{CO}\]

À noter que : \[\beta<1\quad;\quad\gamma<1\quad\rightarrow\quad\alpha<1\]

Le courant dans l’électrode de base est la somme entre les courants de trous allant vers l’émetteur (\(I_{pe}\)) et des courants de recombinaisons des électrons dans la base (\(I_{nc}-I_{ne}\)). À cette somme vient se soustraire le courant de fuite de la jonction collecteur-base \(I_{CO}\) \[I_B=I_{pe}+(I_{nc}-I_{ne})-I_{CO}\]

ou encore : \[I_B=I_E-I_C\]

Les deux relations concernant \(\beta\) et \(I_B\) constituent les deux relations de base du fonctionnement statique de base du transistor bipolaire.

De ces deux relations, on peut déduire : \[I_C=\frac{\beta\gamma}{1-\beta~\gamma}~I_B+\frac{I_{CO}}{1-\beta~\gamma}\]

Cette dernière relation fait apparaître le paramètre : \[G=\frac{\beta~\gamma}{1-\beta~\gamma}\]

\(G\) : gain en courant du transistor dans le montage en émetteur commun.

Le coefficient d’injection de l’émetteur \(\gamma\), rapport du courant d’électrons au courant total traversant la jonction émetteur – base polarisé en direct, va dépendre du rapport des nombres de charges contenues dans l’émetteur et dans la base, c’est-à-dire du rapport des concentrations en impuretés donatrices de l’émetteur et acceptrices de la base.

Par optimisation de ces concentrations, on peut faire en sorte que le coefficient \(\gamma\approx 1\).

Le coefficient de transport de la base dépendra lui de la concentration en impuretés de la base et de l’épaisseur de celle-ci. Ici encore, on peut atteindre des valeurs \(\beta\approx 1\).

De ce fait, pour le gain en courant du transistor utilisé dans le montage base commune, on pourra avoir \(\alpha=\beta~\gamma>>0,99\). Dans ce cas, dans le montage émetteur commun, on pourra avoir pour le gain en courant \(G\approx 100\).

La caractéristique statique \(I_C=f(V_{CE})\) typique d’un transistor bipolaire est représentable par le réseau de courbes ci-contre.

En ce qui concerne les performances dynamiques, en particulier le gain en courant en fonction de la fréquence du signal de commande, vont intervenir :

  • les paramètres tels que le temps de transit des électrons à travers la base, d’où l’épaisseur de la base,

  • mais aussi et surtout les constantes de temps internes au transistor constituées par les résistance de l’émetteur, de la base et du collecteur associées aux capacités des jonctions émetteur – base et collecteur – base.

4. Transistor unipolaire. Principe

4.1. Petit historique

Contrairement aux transistors bipolaires dont le fonctionnement repose sur deux types de porteurs, les trous et les électrons, les transistors unipolaires fonctionnent avec un seul type de charges, les trous ou les électrons. Le transistor à effet de champ à jonction en est un premier exemple.

Un premier brevet a été déposé en 1925 (Julius E. Lilienfeld), mais rien ne fut publié sur cette invention. Ce n’est qu’après la guerre que le transistor à effet de champ \(TEC\) ou \(FET\) (Field Effect Transistor) sera redécouvert : JFET en 1952, puis MOSFET en 1960 (Kahng et Atalla).

4.2. Principe sommaire

Sur un substrat (P+) très fortement dopé, on diffuse une zone dopée N : le canal.

Au centre du dispositif, on diffuse une grille nommée aussi porte (gate en anglais), dopée \(P^+\), reliée au substrat et, de part et d’autre de cette grille, deux îlots très fortement dopées \(N^+\) :

  • la source(zone d’entrée des électrons) ;

  • le drain (zone de sortie des charges).

La présence d’un champ électrique peut autoriser la conduction électrique dans ce canal (transistor à enrichissement) ou la réduire (transistor à appauvrissement).

Comparé au transistor bipolaire, ce transistor présente l’intérêt d’avoir une grande impédance d’entrée (supérieure au mégaohm) ce qui le rend intéressant dans certains montages. Cette résistance d’entrée est la résistance de fuite de la jonction grille – source polarisée en inverse.

Par contre, la capacité d’entrée du transistor est faible (quelques picofarads).

Ces deux particularités donnent aux transistors à effet de champ des caractéristiques relativement proches de celles des tubes à vide.

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