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Comprendre le transistor bipolaire

Gros plan d'un transistor bipolaire (BJT) sur un établi d'électronique, illustrant l'un des principaux composants du cours.

Le transistor bipolaire à jonction, couramment désigné par son acronyme BJT (Bipolar Junction Transistor), est un dispositif électronique semi-conducteur fondamental. Il est constitué de trois couches de matériaux semi-conducteurs dopés, de deux jonctions PN, ce qui le distingue des autres familles de transistors. Ces trois couches définissent les trois bornes du composant : l’émetteur (E), la base (B) et le collecteur (C).

Il existe deux types de transistors bipolaires, caractérisés par l’agencement de leurs couches de dopage : le type NPN (négatif-positif-négatif) et le type PNP (positif-négatif-positif). Dans un transistor NPN, une fine couche de silicium de type P (la base) est prise en sandwich entre deux couches de silicium de type N (l’émetteur et le collecteur). Le principe est inversé pour le transistor PNP. Le terme bipolaire dérive de son mode de fonctionnement, qui repose sur l’interaction de deux types de porteurs de charge : les électrons et les trous.

Rôle Historique et Importance

Le développement du transistor bipolaire dans les années 1950 a marqué un tournant majeur dans l’histoire de l’électronique. Il a permis de remplacer de manière efficace les tubes électroniques, offrant des avantages considérables en termes de miniaturisation et de fiabilité. Cette transition a ouvert la voie à une nouvelle ère de l’électronique, où les circuits sont devenus plus petits, moins énergivores et plus robustes.

L’innovation apportée par le BJT a été le catalyseur d’une révolution technologique. En validant le concept d’un composant semi-conducteur capable de contrôler de grands courants avec de petits signaux, le BJT a légitimé des investissements massifs dans la recherche et la fabrication de semi-conducteurs. Cette dynamique a donné naissance à l’ère du circuit intégré et à la célèbre Loi de Moore, qui décrit la croissance exponentielle du nombre de transistors sur une puce. Bien que les technologies ultérieures, notamment les MOSFET, aient pris le relais dans les circuits numériques à haute densité, c’est l’impulsion initiale du BJT qui a fondamentalement transformé l’ingénierie électronique et a permis de passer de la poignée de transistors des premières puces à des dizaines de milliards dans les processeurs modernes.

Principes de Fonctionnement et Polarisation

Polarisation des Jonctions PN

Le fonctionnement d’un BJT dépend de la polarisation de ses deux jonctions PN internes : la jonction base-émetteur (B-E) et la jonction base-collecteur (B-C). Chaque jonction peut être polarisée soit en direct, soit en inverse. La combinaison de ces polarisations détermine le mode de fonctionnement du transistor. La polarisation en continu est essentielle pour définir le point de repos (ou point Q), qui est l’état du transistor bipolaire en l’absence de signal.

Les Trois Modes de Fonctionnement

Le transistor bipolaire possède quatre modes de fonctionnement distincts, dont trois sont couramment exploités dans les circuits électroniques. Le quatrième mode est rarement utilisé.

Mode coupure (bloqué) : Le transistor agit comme un interrupteur ouvert. Dans cet état, les deux jonctions (B-E et B-C) sont polarisées en inverse. Le courant de base ( $Ib$ ) est nul ou négligeable, ce qui empêche le courant de circuler entre le collecteur et l’émetteur ( $Ic \approx 0$ ). La tension aux bornes du transistor ( $Vce$ ) est alors presque égale à la tension d’alimentation.
Mode actif (linéaire) : C’est le mode d’amplification du transistor. La jonction B-E est polarisée en direct, et la jonction B-C est polarisée en inverse. Le transistor se comporte comme une source de courant contrôlée en courant : le courant collecteur ( $Ic$ ) est directement proportionnel au courant de base ( $Ib$ ).
Mode saturation : Le transistor bipolaire se comporte comme un interrupteur fermé. Les deux jonctions (B-E et B-C) sont polarisées en direct. Le courant collecteur ( $I_{C}$ ) atteint sa valeur maximale, qui est déterminée par les composants du circuit externe, et n’est plus proportionnel au courant de base. La tension aux bornes du transistor ( $Vce__{s a t}$ ) est alors très faible, typiquement entre 0,1 et 0,2 V.

Le tableau suivant résume les conditions de polarisation pour un transistor NPN :

Mode de Fonctionnement	Polarisation Jonction B-E	Polarisation Jonction B-C	Analogie Commutateur
Coupure (bloqué)	Inverse ( $Vbe < 0.6$ V)	Inverse ( $Vbc < 0$ V)	Interrupteur ouvert
Actif (linéaire)	Direct ( $Vbe \approx 0.7$ V)	Inverse ( $Vbc < 0$ V)	Amplificateur
Saturation	Direct ( $Vbe \approx 0.7$ V)	Direct ( $Vbc > 0$ V)	Interrupteur fermé

Le principe de l’amplification dans le BJT est le résultat d’une conception physique précise. L’émetteur est fortement dopé pour injecter un grand nombre de porteurs de charge (par exemple, des électrons pour un NPN) dans la base. La base, en revanche, est volontairement faiblement dopée et extrêmement fine. Ces choix de conception sont cruciaux : une base fine et peu dopée minimise les chances que les porteurs de charge injectés par l’émetteur se recombinent avec les porteurs majoritaires de la base. Par conséquent, une très faible fraction des électrons se recombine pour former le courant de base (

Ib

), tandis que la grande majorité traverse la base pour être collectée par la zone de collecteur, créant ainsi le courant de collecteur (

Ic

). L’amplification est donc la conséquence directe du rapport entre ces courants : un petit courant de base contrôle un courant de collecteur beaucoup plus grand, un effet d’ingénierie rendu possible par la structure interne du composant.

Caractéristiques et Paramètres du Transistor

Relations Fondamentales des Courants

Les courants qui traversent les bornes d’un transistor bipolaire sont liés par la loi des nœuds de Kirchhoff. Le courant qui sort de l’émetteur est la somme des courants qui entrent dans le collecteur et la base. Cette relation est fondamentale et s’écrit de la manière suivante :

Ie = Ib + Ic_{.}

Le Gain en Courant

L’une des caractéristiques les plus importantes du transistor bipolaire est son gain en courant. Il existe un gain en courant continu, noté

βdc

h_{FE}

dans les fiches techniques, et un gain en courant alternatif, noté

βac

h_{f e}

. Le gain en courant continu est défini comme le rapport entre le courant collecteur et le courant de base :

β = Ic/ Ib ^{.}

La valeur de

β

n’est pas constante. Elle varie d’un composant à l’autre, même pour la même référence, et dépend des conditions de polarisation et de la température. Typiquement, sa valeur se situe entre 20 et 500 pour les transistors de petits signaux.

Réseaux de Caractéristiques Statiques

Les performances d’un BJT sont souvent représentées graphiquement par des réseaux de courbes statiques. Le plus informatif d’entre eux est le réseau de sortie, qui représente le courant collecteur (

Ic

) en fonction de la tension collecteur-émetteur (

Vce

), pour différentes valeurs constantes du courant de base (

Ib

). Ce graphique permet de visualiser clairement les trois modes de fonctionnement :

La zone de coupure, où $Ic$ est nul lorsque $Ib$ est nul.
La zone de saturation, où $Vce$ est très faible et $Ic$ atteint sa valeur maximale.
La zone linéaire, où les courbes sont presque horizontales, montrant que $Ic$ ne dépend que de $Ib$ et est presque indépendant de $Vce$ .

L’Effet Early

Dans la zone de fonctionnement linéaire, le courant collecteur n’est pas parfaitement constant ; il augmente légèrement à mesure que la tension $Vce$ s’accroît. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Early. Il est causé par le rétrécissement de la zone de base utile lorsque la jonction base-collecteur est davantage polarisée en inverse.

Sur le réseau de caractéristiques de sortie, cet effet se manifeste par une légère pente positive des courbes dans la zone active. Si ces pentes sont prolongées vers l’arrière, elles convergent toutes vers un point unique sur l’axe des tensions négatives, appelé la tension d’Early (

V_{a}

L’effet Early révèle une limitation fondamentale du BJT : il ne se comporte pas comme une source de courant idéale. Une source de courant idéale délivre un courant constant, quelle que soit la tension à ses bornes. La dépendance de

Ic

par rapport à

Vce

due à l’effet Early signifie que le BJT se comporte plutôt comme une source de courant non-idéale, que l’on peut modéliser par une résistance de sortie finie en parallèle. Cette non-idéalité doit être prise en compte dans la conception de circuits d’amplification de haute performance, car elle affecte directement le gain et l’impédance de sortie du circuit, et peut être une source de distorsion.

Applications en Commutation

Principe de Fonctionnement

L’une des applications les plus courantes du transistor bipolaire est son utilisation comme interrupteur électronique. Il permet de contrôler un circuit à forte puissance (le collecteur) à partir d’un signal à faible puissance (la base). Ce mode de fonctionnement exploite les deux états non-linéaires du transistor : la coupure, qui correspond à un interrupteur ouvert, et la saturation, qui correspond à un interrupteur fermé.

Calcul des Composants

La conception d’un circuit de commutation consiste à s’assurer que le transistor est soit totalement bloqué, soit complètement saturé.

Pour le mode coupure : Il suffit de ne pas appliquer de courant de base ( $Ib \approx 0$ ). Le transistor se comporte comme un circuit ouvert entre le collecteur et l’émetteur, et la tension $Vce$ est égale à la tension d’alimentation.
Pour le mode saturation : Il faut injecter un courant de base ( $Ib$ ) suffisant pour saturer le transistor bipolaire. Cela signifie que le courant de base doit être supérieur au courant de base minimal de saturation, $Ib_s_{a t}$ . On calcule le courant collecteur ( $Ic$ ) qui est déterminé par la charge et la résistance de collecteur. La relation $Ic = β \cdot Ib$ n’est plus valide. En saturation, la relation est plutôt $Ic = (Vcc - Vce_sat) / R_{L}$ . Le courant de base est alors choisi pour être supérieur à $Ic / β$ . Par exemple, si un circuit nécessite un $Ic$ de 80 mA et que le transistor a un $β$ de 75, il faut un $Ib$ minimal de 1,07 mA. On prend généralement une marge pour garantir la saturation, par exemple en doublant la valeur de $Ib$ . La résistance de base ( $Rb$ ) est ensuite calculée pour obtenir ce courant en utilisant la loi d’Ohm.

Bien que le transistor saturé agisse comme un interrupteur fermé, cette analogie n’est pas parfaite. Un interrupteur mécanique parfait ne présente aucune chute de tension à ses bornes une fois fermé. En revanche, le transistor bipolaire en saturation a une tension résiduelle

Vce_sat

non nulle, typiquement entre 0,1 et 0,2 V. Cette chute de tension, aussi minime soit-elle, est à l’origine d’une dissipation de puissance sous forme de chaleur, donnée par

P = Vce__{s a t} \times Ic

. Cette dissipation est une réalité physique qui limite l’efficacité du transistor et sa capacité à commuter des charges à courant élevé. Pour des applications de puissance, il est impératif de choisir des boîtiers spécifiques (comme le TO-220) et d’utiliser des dissipateurs thermiques pour gérer cette chaleur et éviter la destruction du composant. Le concepteur doit donc toujours considérer ces compromis entre la simplicité du modèle théorique et les limitations physiques du composant réel.

Applications en Amplification

Le Régime Linéaire

L’amplification d’un signal analogique nécessite que le transistor fonctionne en régime actif. L’objectif de la polarisation en continu est de placer le point de fonctionnement (point Q) dans la zone centrale de la zone linéaire du transistor. Ce point définit les valeurs de repos des courants (

Ib_{(Q)}, Ic_{(Q)}

) et des tensions (

Vce_{(Q)}

) en l’absence de signal d’entrée. Le montage le plus simple pour polariser un BJT est par l’intermédiaire d’une résistance de base, mais cette méthode est très sensible aux variations du gain

β

et à la température, ce qui la rend inappropriée pour les amplificateurs. Les concepteurs préfèrent des méthodes plus stables, comme la polarisation par pont diviseur de tension, qui rend le point de repos moins dépendant du

β

du transistor.

Les Trois Configurations Principales

Un transistor étant un composant à trois bornes, l’une d’elles doit être commune à l’entrée et à la sortie, ce qui donne lieu à trois configurations d’amplificateurs de base, chacune ayant des caractéristiques distinctes.

Montage émetteur commun : L’émetteur est la borne commune à l’entrée et à la sortie pour le signal alternatif.
- Gains : Il offre un gain élevé en tension, en courant et en puissance.
- Impédances : Son impédance d’entrée et de sortie est moyenne.
- Déphasage : Un déphasage de 180° est observé entre le signal d’entrée et de sortie. C’est la configuration la plus couramment utilisée pour l’amplification de signaux.
Montage collecteur commun : Le collecteur est la borne commune, connectée à l’alimentation (qui est une masse en alternatif).
- Gains : Son gain en tension est proche de l’unité ( $Av \approx 1$ ), mais il offre un gain en courant élevé.
- Impédances : Il est caractérisé par une très forte impédance d’entrée et une très faible impédance de sortie.
- Déphasage : Le signal de sortie est en phase avec le signal d’entrée. Ce montage est idéal pour servir d’étage tampon ou d’adaptateur d’impédance, permettant de relier une source à haute impédance (comme la sortie d’un microphone) à une charge à basse impédance (comme un haut-parleur).
Montage base commune : La base est la borne commune, connectée à la masse pour les signaux alternatifs.
- Gains : Il offre un gain en tension élevé mais un gain en courant proche de l’unité.
- Impédances : Il présente une très faible impédance d’entrée et une haute impédance de sortie.
- Déphasage : Le signal de sortie est en phase avec le signal d’entrée. Ce montage est particulièrement adapté pour les applications de haute fréquence, comme l’amplification de signaux d’antennes radiofréquence, où il peut s’interfacer avec des sources à basse impédance.

Le choix d’une configuration d’amplificateur va au-delà des simples gains. Chaque montage possède une signature d’impédance unique qui définit son rôle dans un système plus large. L’impédance d’entrée mesure la facilité avec laquelle le signal d’une source peut être couplé au transistor, tandis que l’impédance de sortie mesure l’efficacité avec laquelle le signal amplifié peut être délivré à une charge. Par exemple, le collecteur commun, avec sa très haute impédance d’entrée, évite de charger la source, tandis que sa faible impédance de sortie lui permet de piloter la charge sans déformation excessive du signal. Ce principe, où les impédances d’un étage sont adaptées à celles de la source et de la charge, est un concept de conception de circuits qui s’étend à tous les systèmes électroniques complexes.

Caractéristiques	Émetteur Commun	Collecteur Commun	Base Commune
Gain en tension	Élevé	Unitaire ( $Av < 1$ )	Élevé
Gain en courant	Élevé ( $β$ )	Élevé ( $β$ )	Unitaire ( $α \approx 1$ )
Impédance d’entrée	Moyenne	Élevée	Faible
Impédance de sortie	Moyenne à élevée	Faible	Élevée
Déphasage	180°	0° (en phase)	0° (en phase)
Application principale	Amplification de tension et de puissance	Adaptation d’impédance, étage tampon	Amplification de tension pour sources basses impédances

Analyse en Petits Signaux

Régime Dynamique vS Régime Statique

L’analyse d’un circuit à BJT se fait en deux étapes distinctes : l’analyse en régime continu (statique) et l’analyse en régime alternatif (dynamique). Le régime statique permet de définir les courants et tensions de polarisation qui fixent le point de repos du transistor, et de tracer la droite de charge. L’analyse en petits signaux, ou régime dynamique, étudie comment de petites variations du signal d’entrée autour de ce point de repos sont amplifiées par le transistor. Pour cela, on utilise des modèles équivalents qui linéarisent le comportement du composant.

Le Modèle Hybride-Pi

Le modèle hybride-pi est un schéma équivalent largement utilisé pour analyser le BJT en régime de petits signaux, spécifiquement en configuration émetteur commun. Il représente le transistor en régime actif à l’aide de composants idéaux : des résistances et une source de courant contrôlée en tension. Ce modèle simplifie grandement les calculs de gain, d’impédance et de réponse en fréquence d’un amplificateur.

Les Paramètres du Modèle Hybride-Pi

Les paramètres du modèle hybride-pi sont directement liés aux conditions de polarisation du transistor.

Transconductance ( $g_{m}$ ) : Ce paramètre clé représente l’efficacité avec laquelle le transistor convertit une petite variation de tension d’entrée à la base en une variation de courant de sortie au collecteur. Une transconductance élevée est synonyme d’un meilleur gain en amplification. Sa valeur est directement proportionnelle au courant de collecteur de repos et s’écrit : $g_{m} = Ic/Vt$ où $Vt$ est la tension thermique, qui est d’environ 26 mV à 300 K (température ambiante).
Résistance d’entrée ( $r_{π}$ ) : Également appelée résistance de diffusion de la base, elle modélise la résistance dynamique de la jonction B-E polarisée en direct. Elle est directement liée à la transconductance et au gain $β$ du transistor par la relation : $r_{π} = β/gm.$
Résistance de sortie ( $r_{o}$ ) : Elle est connectée entre le collecteur et l’émetteur et modélise la non-idéalité de la source de courant de collecteur. Sa valeur, qui dépend de la tension d’Early ( $Va$ ), est inversement proportionnelle au courant de polarisation. Ce paramètre représente la légère augmentation du courant collecteur avec la tension $Vce$ (effet Early).

Le processus de conception d’un amplificateur BJT met en évidence la dualité entre les régimes statique et dynamique. L’analyse en continu sert à établir un point de polarisation stable, mais ce n’est pas une fin en soi. Ce point de polarisation est la condition nécessaire pour déterminer les paramètres du modèle équivalent en petits signaux ( $g_{m}$ , $r_{π}$ , $r_{o}$ ), qui dépendent directement du courant de repos $Ic$ . Par conséquent, un ingénieur choisit et stabilise le point de polarisation en courant continu afin d’obtenir le gain et les impédances souhaités en régime alternatif. Cette approche en deux étapes, où les choix de polarisation statique déterminent les performances dynamiques, est un concept central en électronique analogique.

Aspects Pratiques et Fiches Techniques

Boîtiers et Dissipation Thermique

Le choix d’un transistor ne se limite pas à ses caractéristiques électriques. Le boîtier, ou package, joue un rôle crucial en termes de puissance dissipée. La puissance dissipée par un transistor est limitée par sa capacité à évacuer la chaleur générée. Les boîtiers sont classés en fonction de leur capacité de dissipation thermique, qui est mesurée par leur résistance thermique.

Les boîtiers de faible puissance, comme le TO-92 et le SOT-23 (composants montés en surface), sont utilisés pour des signaux faibles et ne dissipent que quelques centaines de milliwatts.
Les boîtiers de moyenne à forte puissance, comme le TO-220, peuvent dissiper plusieurs watts et sont conçus pour être montés sur des dissipateurs thermiques (radiateurs) afin d’améliorer la dissipation et de maintenir la température de la puce dans des limites de fonctionnement sûres.

Lecture d’une Fiche Technique (Datasheet)

La fiche technique fournie par le fabricant est un document indispensable pour tout concepteur. Elle contient les caractéristiques électriques détaillées et les limites de fonctionnement du transistor.

Limites maximales absolues : Ces valeurs ne doivent jamais être dépassées sous peine de détruire le composant. Elles incluent les tensions de claquage ( $Vcbo$ , $Vceo$ , $Vebo$ ) et le courant collecteur maximum ( $Ic$ ).
Caractéristiques électriques : Cette section fournit les paramètres de performance du transistor dans des conditions de test spécifiques. Un point crucial est la valeur du gain en courant ( $h_{FE}$ ou $β$ ). Contrairement à ce que l’on pourrait croire, la fiche technique ne donne pas une seule valeur de gain, mais une plage de valeurs qui dépend du courant de collecteur ( $Ic$ ). Par exemple, pour un transistor 2N2222A, le gain $h_{FE}$ peut varier de 35 à 300 pour un $Ic$ de 0,1 mA, et de 100 à 300 pour un $Ic$ de 150 mA.

L’absence d’une valeur de gain unique dans les fiches techniques est une réalité de l’ingénierie des semi-conducteurs. Les caractéristiques du BJT ne sont pas parfaitement linéaires et varient en fonction des conditions de fonctionnement (courant, tension, température) ainsi que des tolérances de fabrication. La fiche technique est un document d’ingénierie qui fournit les données nécessaires pour concevoir des circuits robustes et fiables en prenant en compte ces variations. Cela explique pourquoi les concepteurs de circuits analogiques préfèrent utiliser des méthodes de polarisation qui stabilisent le point de repos et rendent le circuit moins dépendant du gain $β$ , telles que la polarisation par pont diviseur de tension.

Domaines d’Application

BJT VS FET

Le BJT appartient à la grande famille des transistors, qui inclut également les transistors à effet de champ (FET), comme les JFET et les MOSFET. Bien que les deux soient des amplificateurs et des commutateurs, ils diffèrent fondamentalement dans leur principe de fonctionnement.

Contrôle : Le BJT est un dispositif contrôlé en courant ; le courant de sortie ( $Ic$ ) est modulé par le courant d’entrée ( $Ib$ ). Le FET est un dispositif contrôlé en tension ; le courant de sortie est modulé par un champ électrique généré par la tension appliquée à sa grille.
Porteurs de charge : Le BJT est bipolaire car le courant de collecteur est le résultat de l’interaction entre les porteurs de charge majoritaires et minoritaires (électrons et trous). Le FET est unipolaire car le courant circule dans un canal et dépend d’un seul type de porteurs de charge (soit les électrons, soit les trous).

Avantages et Inconvénients

Le choix entre un BJT et un FET dépend de l’application.

Caractéristiques	BJT (bipolaire)	MOSFET ( à effet de Champ)
Contrôle	Contrôlé en courant	Contrôlé en tension
Impédance d’entrée	Faible (faible résistance d’entrée)	Très élevée (grille isolée)
Vitesse de commutation	Plus lente (due au temps de stockage de charge dans la base)	Très rapide (idéal pour les hautes fréquences)
Efficacité énergétique	Moins efficace (consomme un courant de base continu, chauffe davantage)	Très efficace (courant de grille négligeable, faible perte)
Robustesse	Capable de gérer des courants élevés	Généralement plus sensible aux décharges électrostatiques (ESD)
Applications	Amplificateurs de puissance, amplificateurs audio, applications analogiques	Circuits numériques, électronique de puissance, microprocesseurs

Le BJT excelle dans les applications nécessitant un gain en courant élevé et une excellente linéarité pour les signaux analogiques, comme les pré-amplificateurs audio qui amplifient de faibles signaux. Le MOSFET, de son côté, a dominé le domaine numérique et de l’électronique de puissance en raison de sa vitesse de commutation supérieure, de sa haute impédance d’entrée et de sa faible consommation.

La coexistence des BJT et des FET sur le marché n’est pas le fruit du hasard, mais celui d’une spécialisation fonctionnelle. Plutôt que d’être des technologies concurrentes, elles sont complémentaires. Un exemple notable de cette synergie est le transistor IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), un composant hybride qui combine la haute impédance d’entrée et la vitesse du MOSFET avec le faible état de saturation et la robustesse du BJT, pour des applications spécifiques d’électronique de puissance à haute efficacité. L’évolution continue des semi-conducteurs démontre ainsi une convergence technologique où les meilleures caractéristiques de chaque famille de transistors sont combinées pour répondre à des défis d’ingénierie toujours plus complexes.

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