Transistors à jonction bipolaire

Le transistor à jonction bipolaire (BJT) a été nommé parce que son fonctionnement implique la conduction par deux porteurs :des électrons et des trous dans le même cristal. Le premier transistor bipolaire a été inventé aux Bell Labs par William Shockley, Walter Brattain et John Bardeen si tard en 1947 qu'il n'a été publié qu'en 1948. Ainsi, de nombreux textes diffèrent quant à la date de l'invention. Brattain a fabriqué un transistor à point de contact au germanium , ressemblant quelque peu à une diode à contact ponctuel. En un mois, Shockley disposait d'un transistor à jonction plus pratique , que nous décrivons dans les paragraphes suivants. Ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1956 pour le transistor.

Le transistor à jonction bipolaire illustré à la figure ci-dessous (a) est un sandwich semi-conducteur à trois couches NPN avec un émetteur et collectionneur aux extrémités, et une base entre. C'est comme si une troisième couche était ajoutée à une diode à deux couches. Si c'était la seule exigence, nous n'aurions pas plus d'une paire de diodes dos à dos. En fait, il est beaucoup plus facile de construire une paire de diodes dos à dos. La clé de la fabrication d'un transistor à jonction bipolaire est de rendre la couche médiane, la base, aussi mince que possible sans court-circuiter les couches extérieures, l'émetteur et le collecteur. Nous ne saurions trop insister sur l'importance de la région de base mince.

Jonctions BJT

Le dispositif de la figure ci-dessous (a) a une paire de jonctions, émetteur à base et base à collecteur, et deux régions d'appauvrissement.

(a) Transistor bipolaire à jonction NPN. (b) Appliquer une polarisation inverse à la jonction de base du collecteur.

Il est d'usage de polariser en inverse la jonction base-collecteur d'un transistor à jonction bipolaire comme le montre la (figure ci-dessus (b). Notez que cela augmente la largeur de la région d'appauvrissement. La tension de polarisation inverse peut être de quelques volts à des dizaines de volts pour la plupart des transistors. Il n'y a pas de flux de courant, à l'exception du courant de fuite, dans le circuit collecteur.

Dans la figure ci-dessous (a), une source de tension a été ajoutée au circuit de base de l'émetteur. Normalement, nous polarisons en direct la jonction émetteur-base, surmontant la barrière de potentiel de 0,6 V. Ceci est similaire à la polarisation directe d'une diode à jonction. Cette source de tension doit dépasser 0,6 V pour que les porteurs majoritaires (électrons pour NPN) circulent de l'émetteur vers la base devenant des porteurs minoritaires dans le semi-conducteur de type P.

Si la région de base était épaisse, comme dans une paire de diodes dos à dos, tout le courant entrant dans la base sortirait du fil de base. Dans notre exemple de transistor NPN, les électrons quittant l'émetteur pour la base se combineraient avec des trous dans la base, laissant de la place pour que plus de trous soient créés à la borne (+) de la batterie sur la base à mesure que les électrons sortent.

Cependant, la base est fabriquée mince. Quelques porteurs majoritaires dans l'émetteur, injectés comme porteurs minoritaires dans la base, se recombinent en fait. Voir la figure ci-dessous (b). Quelques électrons injectés par l'émetteur dans la base d'un transistor NPN tombent dans des trous. De plus, peu d'électrons entrant dans la base circulent directement à travers la base jusqu'à la borne positive de la batterie. La majeure partie du courant d'émetteur d'électrons diffuse à travers la base mince dans le collecteur. De plus, la modulation du petit courant de base produit une variation plus importante du courant de collecteur. Si la tension de base tombe en dessous d'environ 0,6 V pour un transistor au silicium, le grand courant émetteur-collecteur cesse de circuler.

Transistor bipolaire à jonction NPN avec collecteur-base polarisé en inverse :(a) L'ajout d'une polarisation directe à la jonction base-émetteur donne (b) un petit courant de base et de grands courants d'émetteur et de collecteur.

Amplification du courant BJT

Dans la figure ci-dessous, nous examinons de plus près le mécanisme d'amplification actuel. Nous avons une vue agrandie d'un transistor à jonction NPN en mettant l'accent sur la région de base mince. Bien que non illustré, nous supposons que les sources de tension externes 1) polarisent en direct la jonction émetteur-base, 2) polarisent en inverse la jonction base-collecteur. Courant, quitte l'émetteur vers la borne (-) de la batterie. Le flux de courant de base correspond aux courants entrant dans la borne de base depuis la borne (+) de la batterie.

Disposition des électrons entrant dans la base :(a) Perte due à la recombinaison avec les trous de la base. (b) Évacue le plomb de base. (c) La plupart diffusent de l'émetteur à travers la base mince dans la région d'appauvrissement base-collecteur, et (d) sont rapidement balayés par le champ électrique de la région d'appauvrissement intense dans le collecteur.

Les porteurs majoritaires au sein de l'émetteur de type N sont des électrons, devenant des porteurs minoritaires lorsqu'ils pénètrent dans la base de type P. Ces électrons font face à quatre destins possibles en entrant dans la base mince de type P. Quelques-uns de la figure ci-dessus (a) tombent dans des trous de la base qui contribuent au flux de courant de base vers la borne (+) de la batterie. Non représentés, des trous dans la base peuvent diffuser dans l'émetteur et se combiner avec des électrons, contribuant au courant terminal de la base. Quelques-uns en (b) traversent la base jusqu'à la borne (+) de la batterie comme si la base était une résistance. Les deux (a) et (b) contribuent au très faible flux de courant de base. Le courant de base est généralement de 1% du courant d'émetteur ou de collecteur pour les transistors à petit signal. La plupart des électrons de l'émetteur diffusent à travers la base mince (c) dans la région d'appauvrissement base-collecteur. Notez la polarité de la région d'appauvrissement entourant l'électron en (d). Le fort champ électrique entraîne l'électron rapidement dans le collecteur. L'intensité du champ est proportionnelle à la tension de la batterie du collecteur. Ainsi, 99% du courant de l'émetteur circule dans le collecteur. Il est contrôlé par le courant de base, qui est de 1% du courant d'émetteur. Il s'agit d'un gain de courant potentiel de 99, le rapport de I_C /I_B , également connu sous le nom de bêta, β.

Cette magie, la diffusion de 99% des porteurs d'émetteurs à travers la base, n'est possible que si la base est très fine. Quel serait le sort de la base des porteurs minoritaires dans une base 100 fois plus épaisse ? On pourrait s'attendre à ce que le taux de recombinaison, les électrons tombant dans les trous, soit beaucoup plus élevé. Peut-être que 99%, au lieu de 1%, tomberaient dans des trous, n'atteignant jamais le collecteur. Le deuxième point à souligner est que le courant de base peut contrôler 99% du courant d'émetteur, seulement si 99% du courant d'émetteur diffuse dans le collecteur. Si tout s'écoule de la base, aucun contrôle n'est possible.

Une autre caractéristique expliquant le passage de 99% des électrons de l'émetteur au collecteur est que les vrais transistors à jonction bipolaire utilisent un petit émetteur fortement dopé. La forte concentration d'électrons de l'émetteur force de nombreux électrons à se diffuser dans la base. La concentration de dopage plus faible dans la base signifie que moins de trous diffusent dans l'émetteur, ce qui augmenterait le courant de base. La diffusion des porteurs de l'émetteur à la base est fortement favorisée.

La base mince et l'émetteur fortement dopé aident à maintenir l'efficacité de l'émetteur élevé, 99% par exemple. Cela correspond à une répartition du courant d'émetteur de 100 % entre la base à 1 % et le collecteur à 99 %. L'efficacité de l'émetteur est appelée α =I_C /I_E .

Types de BJT

Les transistors à jonction bipolaire sont disponibles en tant que dispositifs PNP ainsi que NPN. Nous présentons une comparaison de ces deux dans la figure ci-dessous. La différence est la polarité des jonctions de diodes d'émetteur de base, comme indiqué par la direction de la flèche d'émetteur de symbole schématique. Il pointe dans le même sens que la flèche d'anode pour une diode à jonction, le long du passage du courant. Voir jonction de diodes, figure précédente. Le point de la flèche et de la barre correspondent respectivement aux semi-conducteurs de type P et de type N. Pour les émetteurs NPN et PNP, la flèche pointe respectivement vers l'extérieur et vers la base. Il n'y a pas de flèche schématique sur le collecteur. Cependant, la jonction base-collecteur a la même polarité que la jonction base-émetteur par rapport à une diode. Attention, on parle de diode, pas d'alimentation, de polarité.

Comparez le transistor NPN en (a) avec le transistor PNP en (b). Notez le sens de la flèche de l'émetteur et la polarité de l'alimentation.

Les sources de tension des transistors PNP sont inversées par rapport à celles des transistors NPN, comme le montre la figure ci-dessus. La jonction base-émetteur doit être polarisée en direct dans les deux cas. La base d'un transistor PNP est polarisée négativement (b) par rapport au positif (a) pour un NPN. Dans les deux cas, la jonction base-collecteur est polarisée en inverse. L'alimentation du collecteur PNP est négative par rapport au positif pour un transistor NPN.

Transistor à jonction bipolaire :(a) section transversale du dispositif discret, (b) symbole schématique, (c) section transversale du circuit intégré.

Notez que le BJT de la figure ci-dessus (a) a un dopage important dans l'émetteur, comme indiqué par la notation N+. La base a un niveau de dopant P normal. La base est beaucoup plus mince que ne le montre la section transversale non à l'échelle. Le collecteur est légèrement dopé comme indiqué par la notation N-. Le collecteur doit être légèrement dopé afin que la jonction collecteur-base ait une tension de claquage élevée. Cela se traduit par une tension d'alimentation du collecteur admissible élevée. Les transistors au silicium à petit signal ont une tension de claquage de 60-80 V. Cependant, il peut atteindre des centaines de volts pour les transistors haute tension. Le collecteur doit également être fortement dopé pour minimiser les pertes ohmiques si le transistor doit gérer un courant élevé. Ces exigences contradictoires sont satisfaites en dopant plus fortement le collecteur au niveau de la zone de contact métallique. Le collecteur proche de la base est légèrement dopé par rapport à l'émetteur. Le dopage important dans l'émetteur donne à l'émetteur-base une faible tension de claquage d'environ 7 V dans les transistors à petits signaux. L'émetteur fortement dopé donne à la jonction émetteur-base des caractéristiques de type diode Zener en polarisation inverse.

Le BJT mourra , un morceau d'une plaquette semi-conductrice découpée en tranches et en dés, est monté en collecteur jusqu'à un boîtier métallique pour transistors de puissance. C'est-à-dire que le boîtier métallique est connecté électriquement au collecteur. Une petite puce de signal peut être encapsulée dans de l'époxy. Dans les transistors de puissance, des fils de liaison en aluminium relient la base et l'émetteur aux fils du boîtier. Les puces de transistor à petit signal peuvent être montées directement sur les fils conducteurs. Plusieurs transistors peuvent être fabriqués sur une seule puce appelée circuit intégré . Même le collecteur peut être relié à un fil au lieu du boîtier. Le circuit intégré peut contenir un câblage interne des transistors et d'autres composants intégrés. Le BJT intégré illustré à la (Figure (c) ci-dessus) est beaucoup plus mince que le dessin « pas à l'échelle ». La région P+ isole plusieurs transistors dans une seule puce. Une couche de métallisation en aluminium (non représentée) interconnecte plusieurs transistors et autres composants. La région de l'émetteur est fortement dopée, N+ par rapport à la base et au collecteur pour améliorer l'efficacité de l'émetteur.

Les transistors PNP discrets sont presque de la même qualité que leurs homologues NPN. Cependant, les transistors PNP intégrés sont loin d'être aussi bons que la variété NPN dans le même circuit intégré. Ainsi, les circuits intégrés utilisent au maximum la variété NPN.

AVIS :

• Les transistors bipolaires conduisent le courant en utilisant à la fois des électrons et des trous dans le même appareil.
• Le fonctionnement d'un transistor bipolaire comme amplificateur de courant nécessite que la jonction collecteur-base soit polarisée en inverse et que la jonction émetteur-base soit polarisée en direct.
• Un transistor diffère d'une paire de diodes dos à dos en ce que la base, la couche centrale, est très mince. Cela permet aux porteurs majoritaires de l'émetteur de se diffuser en tant que porteurs minoritaires à travers la base dans la région d'appauvrissement de la jonction base-collecteur, où le champ électrique puissant les recueille.
• L'efficacité de l'émetteur est améliorée par un dopage plus important par rapport au collecteur. Efficacité de l'émetteur :α =I_C /I_E , 0.99 pour les appareils à petit signal
• Le gain actuel est β=I_C /I_B , 100 à 300 pour les transistors à petit signal.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur la théorie des transistors à jonction bipolaire (BJT)