www.radartutorial.eu Les Principes du Radar

Les transistors npn

Une jonction pn en polarisation directe est comme un élément d’un circuit électrique de très faible résistance (R). En polarisation inverse, c’est une résistance presque infinie. La relation de Ohm (P = I2·R) montre que pour un courant constant (I), la puissance (P) est proportionnelle à la résistance. Donc avec deux jonctions pn, un signal de faible puissance peut traverser celle en polarisation directe et ressortir en puissant signal par la jonction en polarisation inverse. De cette manière, on obtient une amplification dans le cristal et c’est le principe sur lequel repose les transistors.

Collecteur
Base
Émetteur
Polarisation
directe

Figure 1 : Jonction en polarisation directe dans un transistor npn

Collecteur
Base
Émetteur
Polarisation
directe

Figure 1 : Jonction en polarisation directe dans un transistor npn

Pour commencer, voici le détail du fonctionnement d’une jonction npn. Comme dans une diode, le matériau de type n à chaque bout du transistor contient un certain nombre d’électrons libres alors que le centre de type p contient un surplus de « trous ». Ce qui se passe dans chacune des deux jonctions pn est identique au comportement d’une diode: une région désertée de porteurs se forme et une barrière électrostatique apparait. Afin que le transistor puisse servir d’amplificateur, il faut appliquer une tension externe à chacune des jonctions.

Si la jonction np est en polarisation directe, elle offre une faible résistance et un fort courant. Elle devient la jonction émetteur-base, c’est le cas de la figure 1. En même temps, si la jonction pn est mise en polarisation inverse, elle offre une grande résistance et devient la jonction base-collecteur. Une méthode mnémotechnique de se rappeler le sens de branchement est :

La figure 2 montre le circuit complet d’un transistor npn bien branché.

Collecteur
Base
Émetteur
Polarisation
inverse
Polarisation
directe

Figure 2 : Les jonctions d’un transistor npn.

Collecteur
Base
Émetteur
Polarisation
inverse
Polarisation
directe

Figure 2 : Les jonctions d’un transistor npn.

Jonction npn en polarisation directe

Un point important qui n’a pas été traité dans la discussion sur les diodes est que le matériau de type n du côté en polarisation directe est plus fortement dopée que le matériau de type p. Cela implique que le courant d’électrons, porteurs majoritaires du type n, traversant la jonction est plus importants que le nombre de « trous » provenant du matériau p. En conséquence, la conduction en polarisation directe de la figure 3 est surtout formée d’électrons de l’émetteur.

Courant
de trous
Courant
d’électrons

Figure 3 : Courants dans différentes parties du transistor npn avec une jonction en polarisation directe.

Courant
de trous
Courant
d’électrons

Figure 3 : Courants dans différentes parties du transistor npn avec une jonction en polarisation directe.

Ces derniers quittent la source, passe par la borne négative vers l’émetteur de type n puis traversent la jonction np. Ils se recombinent alors avec des trous du matériau de type p. Pour chaque électron remplissant un trou, un électron quitte le même matériau par la base, créant un trou, avant de retourner à la source.

Jonction npn en polarisation inverse
Collecteur
base
Émetteur
Jonction en
polarisation
inverse
Courant
de « trous »
Courant
d’électrons

Figure 4 : Jonction en polarisation inverse du transistor npn.

Collecteur
base
Émetteur
Jonction en
polarisation
inverse
Courant
de « trous »
Courant
d’électrons

Figure 4 : Jonction en polarisation inverse du transistor npn.

La jonction pn base vers collecteur est en polarisation inverse comme dans la figure 4. Elle empêche donc les porteurs majoritaires de traverser mais il reste un très faible courant de porteurs minoritaires à travers la jonction. Ce courant minoritaire, ou courant inversé, provient des paires électron-trous se recombinant, électron provenant du type p et trous du type n, en traversant la jonction. C’est ce faible courant qui joue le rôle le plus important dans le transistor npn.

Interactions dans la jonction npn

Dans la figure 5, on peut voir deux piles alimentant un transistor npn. La pile VCC alimente le collecteur et la VBB donne la polarisation à la base. VCC est en général beaucoup plus élevée que VBB, tel que la montre le nombre de cellules, soit en général 6 volts versus 1 volt. Comme expliqué antérieurement, cela est nécessaire pour bien polariser le transistor.

Collecteur
base
Émetteur
Polarisation
inverse
Polarisation
directe
Courant
de « trous »
Courant
d’électrons
VBB
VCC

Figure 5 : Le fonctionnement d’un transistor npn est essentiellement le contrôle par une faible tension à la base d’un courant beaucoup plus fort entre l’émetteur et le collecteur.

Collecteur
base
Émetteur
Polarisation
inverse
Polarisation
directe
Courant
de « trous »
Courant
d’électrons
VBB
VCC

Figure 5 : Le fonctionnement d’un transistor npn est essentiellement le contrôle par une faible tension à la base d’un courant beaucoup plus fort entre l’émetteur et le collecteur.

Le courant dans le circuit externe est toujours relié à celui des électrons libres. En conséquence, les électrons se déplacent du pôle négatif de la pile VBB vers l’émetteur de type n, c’est le courant de l’émetteur (IE). Comme ce sont les porteurs majoritaires dans le type n, ils passent facilement vers la base à travers la jonction polarisée directement. Une fois dans le matériau de type p de la base, ils deviennent des porteurs minoritaires et se recombinent avec les « trous » disponibles ce qui, par effet de dominos, permet à un électron de quitter la base vers le pôle positif de la pile, donnant le courant IB (créant un nouveau trou dans la base permettant la poursuite du processus).

Les électrons qui suivent ce trajet sont perdus pour le collecteur. Mais la base est très mince et peu dopées, ce qui réduit la probabilité de capture des électrons par les trous moins nombreux. Les électrons provenant de l’émetteur, sont ainsi en beaucoup plus grand nombre que la base ne peut les accepter et ils accélèrent vers la jonction pn du collecteur sans être absorbés.

Comme le collecteur est fait de type n, les électrons qui traversent la jonction sont redevenus majoritaires et se déplacent facilement vers la borne positive de la pile VCC pour donner le courant de collection IC. Pour améliorer l’efficacité du transistor, le collecteur est plus large que la base: pour augmenter les chances de capturer le maximum d’électrons qui pourraient avoir une trajectoire latérale dans la région de la base et pour permettre au collecteur de dissiper la chaleur induite par le courant qui pourrait le faire fondre.

Figure 6 : Courants induits dans le transistor npn

Figure 6 : Courants induits dans le transistor npn

En résumé, le courant dans le transistor npn provient de l’émetteur. Ce courant IE est 100% du courant dans tout le circuit. Comme la base est mince et faiblement dopée, IB sera une faible proportion de ce courant et le reste ira dans IC :

IE = IB + IC

Habituellement, IB ne doit représenter que 2 à 5% du courant total, laissant 95% pour IC. Comme le courant quittant l’émetteur est fonction de la polarisation émetteur-base, une faible variation de la tension de celle-ci aura un très grand effet sur le courant collecté pour une très faible augmentation de IB. Donc la pile VBB contrôle de fait tout le processus.