Introduction aux transistors à jonction bipolaire (BJT)

L'invention du transistor bipolaire en 1948 a inauguré une révolution dans l'électronique. Les prouesses techniques qui nécessitaient auparavant des tubes à vide relativement gros, mécaniquement fragiles et énergivores étaient soudainement réalisables avec de minuscules particules de silicium cristallin, mécaniquement robustes et économes en énergie. Cette révolution a rendu possible la conception et la fabrication d'appareils électroniques légers et peu coûteux que nous tenons désormais pour acquis. Comprendre le fonctionnement des transistors est d'une importance primordiale pour quiconque s'intéresse à l'électronique moderne.

La fonction et les applications des transistors à jonction bipolaire

Mon intention ici est de me concentrer aussi exclusivement que possible sur la fonction et l'application pratiques des transistors bipolaires, plutôt que d'explorer le monde quantique de la théorie des semi-conducteurs. Les discussions sur les trous et les électrons sont mieux laissées à un autre chapitre à mon avis. Ici, je veux explorer comment utiliser ces composants, pas analyser leurs détails internes intimes. Je ne veux pas minimiser l'importance de comprendre la physique des semi-conducteurs, mais parfois une concentration intense sur la physique des solides nuit à la compréhension des fonctions de ces dispositifs au niveau des composants. En adoptant cette approche, cependant, je suppose que le lecteur possède une certaine connaissance minimale des semi-conducteurs :la différence entre les semi-conducteurs dopés "P" et "N", les caractéristiques fonctionnelles d'une jonction PN (diode), et la signification des termes « biais inverse » et « biais avant ». Si ces concepts ne sont pas clairs pour vous, il est préférable de vous référer aux chapitres précédents de ce livre avant de poursuivre celui-ci.

Couches BJT

Un transistor bipolaire est constitué d'un « sandwich » à trois couches de matériaux semi-conducteurs dopés (extrinsèques), (a et c) soit P-N-P ou N-P-N (b et c). Chaque couche formant le transistor a un nom spécifique, et chaque couche est munie d'un contact filaire pour la connexion à un circuit. Les symboles schématiques sont représentés sur les figures (a) et (c).

Transistor BJT :(a) symbole schématique PNP, (b) disposition (c) symbole schématique NPN, (d) disposition.

La différence fonctionnelle entre un transistor PNP et un transistor NPN est la polarisation appropriée (polarité) des jonctions lors du fonctionnement.

Les transistors bipolaires fonctionnent comme des régulateurs de courant contrôlés par le courant . En d'autres termes, les transistors restreignent la quantité de courant passé en fonction d'un courant de contrôle plus petit. Le courant principal qui est contrôlé va du collecteur à l'émetteur, ou de l'émetteur au collecteur, selon le type de transistor dont il s'agit (respectivement NPN ou PNP). Le petit courant que contrôle le courant principal passe de la base à l'émetteur, ou de l'émetteur à la base, encore une fois selon le type de transistor dont il s'agit (respectivement NPN ou PNP). Selon les normes de symbologie des semi-conducteurs, la flèche pointe toujours dans le sens du courant.

La direction du petit courant de contrôle et du grand courant contrôlé pour (a) un transistor PNP et (b) un transistor NPN.

Les transistors bipolaires contiennent deux types de matériaux semi-conducteurs

Les transistors bipolaires sont appelés bi polaire car le flux principal de courant qui les traverse a lieu dans deux types de matériaux semi-conducteurs :P et N, car le courant principal passe de l'émetteur au collecteur (ou vice versa). En d'autres termes, deux types de porteurs de charge - les électrons et les trous - composent ce courant principal à travers le transistor.

Comme vous pouvez le voir, le contrôleur courant et le contrôlé le courant s'engrène toujours à travers le fil de l'émetteur et leurs courants circulent dans le sens de la flèche du transistor. C'est la première règle dans l'utilisation des transistors :tous les courants doivent aller dans les bonnes directions pour que l'appareil fonctionne comme un régulateur de courant. Le petit courant de contrôle est généralement appelé simplement courant de base car c'est le seul courant qui traverse le fil de base du transistor. Inversement, le courant important et contrôlé est appelé courant de collecteur car c'est le seul courant qui passe par le fil collecteur. Le courant d'émetteur est la somme des courants de base et de collecteur, conformément à la loi du courant de Kirchhoff.

Aucun courant à travers la base du transistor arrête le transistor comme un interrupteur ouvert et empêche le courant à travers le collecteur. Un courant de base active le transistor comme un interrupteur fermé et permet une quantité proportionnelle de courant à travers le collecteur. Le courant du collecteur est principalement limité par le courant de base, quelle que soit la quantité de tension disponible pour le pousser. La section suivante explorera plus en détail l'utilisation de transistors bipolaires comme éléments de commutation.

AVIS :

• Les transistors bipolaires sont ainsi nommés car le courant contrôlé doit passer par deux types de matériaux semi-conducteurs :P et N. Le courant se compose à la fois d'un flux d'électrons et de trous, dans différentes parties du transistor.
• Les transistors bipolaires sont constitués d'une structure « sandwich » semi-conductrice P-N-P ou N-P-N.
• Les trois fils d'un transistor bipolaire sont appelés Emetteur , Base , et Collectionneur .
• Les transistors fonctionnent comme des régulateurs de courant en permettant à un petit courant de contrôler un courant plus important. La quantité de courant autorisée entre le collecteur et l'émetteur est principalement déterminée par la quantité de courant se déplaçant entre la base et l'émetteur.
• Pour qu'un transistor fonctionne correctement en tant que régulateur de courant, le courant de contrôle (base) et les courants contrôlés (collecteur) doivent aller dans les bonnes directions :s'engrener de manière additive au niveau de l'émetteur et aller dans la direction de l'émetteur symbole de flèche.

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

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