Voir aussi : l'atome et l'électron - les semi-conducteurs - la jonction PN - La diode au silicium -

17 juin 1948

Cette date est celle du brevet du premier transistor (TRANSfer resISTOR) à pointes déposé par J. BARDEEN et W.H. BRATTAIN de la société américaine Bell Telephone. En 1949 c'était le tour du transistor à jonction imaginé par W. SHOCKLEY et réalisé fin 1951. En 1954 plus d'un million de transistors avait déjà été produits.

Structure d'un transistor à jonction

Le transistor bipolaire (ainsi nommé pour le diférencier du transistor à effet de champ) est formé de deux jonctions PN en série, tête-bêche, comme sur la figure ci contre. L'ordre peut être PNP (en haut) ou NPN (en bas). Les deux jonctions sont réalisées sur un même monocristal intégré dans un boîtier muni de 3 connexions reliées à chacune des 3 zones P, N et P ou N, P et P.
Les 3 connexions sont appelées :
- E : émetteur
- B : Base
- C : collecteur
La comparaison avec les deux diodes représentées au-dessus de chacun des deux dessins s'arrête là car un point très important n'est pas mis en évidence sur les dessins : la distance entre les deux jonctions, autrement dit l'épaisseur de la zone dopée correspondant à la base, est extrémement mince : quelques microns (millièmes de mm).
Le monocristal est dans la grande majorité des cas du silicium et la plupart des transistors sont des NPN.
La différence entre émetteur et collecteur est dû au dopage plus élevé pour la zone correspondant à l'émetteur.

Fonctionnement du transistor bipolaire

Le fonctionnement du transistor en tant qu'élément amplificateur est basé sur l'effet transistor. En voici sommairement le principe.
La même démonstration s'applique au transistor PNP, il suffit alors d'inverser la polarité des sources de tensions continues.

1 - Le transistor non polarisé

Dans les 3 zones N, P et N les porteurs majoritaires sont régulièrement disséminés : électrons pour les deux zones N, trous dans la zone correspondant à la base. Pratiquement aucun porteur de charge ne peut traverser les jonctions PN.
Les trois électrodes sont :
E : émetteur, relié normalement au - de l'alimentation
B : base, l'électrode de commande
C : collecteur; relié normalement au + de l'alimentation

2 - Application de la tension d'alimentation

Une tension d'une dizaine de volts (pratiquement entre 3 et 20 volts) est appliquée entre le collecteur et l'émetteur.
Pour limiter l'intensité du courant émetteur-collecteur en dessous du courant maximum (dépendant du transistor), on a placé en série dans le circuit une résistance. Exemple : alimentation 10 volts, IEC max = 10 mA, R sera choisie à 1 kilohms.
Le champ électrique présent dans le transistor provoque un déplacement des électrons vers le + de l'alimentation. Toutefois, aux bornes de la jonction EB (émetteur-base) le champ est nettement plus faible et les électrons de la zone du collecteur ne peuvent traverser la jonction. Le faible courant émetteur collecteur est dû aux électrons ayant traversé les jonctions grâce à l'agitation thermique.


3 - Polarisation de la base

Une tension positive (par rapport à l'émetteur) est appliquée sur la base. La jonction EB, polarisée dans le sens direct, est traversée par un courant d'électrons important. Comme la distance entre la jonction EB et la jonction BC est faible, la plupart des électrons se trouvent soumis au champ électrique important de la jonction BC et sont attirés par le collecteur. Ils traversent alors la jonction base-collecteur en sens inverse et provoquent un courant émetteur-collecteur intense.
Un faible pourcentage des électrons ayant traversé la jonction EB sont captés par l'électrode de base.
Le courant collecteur est pratiquement proportionnel au courant base.

Amplification d'un transistor

Un courant base très faible peut provoquer un courant collecteur important. Le rapport entre courant collecteur IC et courant base IB est le coefficient d'amplification de courant b . Il dépend du transistor et des conditions d'utilisation (Ic).

Exemple : un transistor a un b de 100 pour un courant collecteur de 100 mA. Quel est le courant émetteur dans ce cas ?
On commence par calculer IB = IC / 100 = 1 mA. IE = 100+1 = 101 mA.

Tensions et courants dans le transistor

Le schéma ci-contre n'a pas d'autre utilité que de montrer un transistor NPN, les courants qui le parcourent (sens de déplacement des électrons) et les tensions mesurables entre ses connexions.
La représentation symbolique d'un transistor PNP est identique, à part la direction de la flèche représentant l'émetteur qui est dirigée vers l'intérieur du cercle.

Les caractéristiques limites d'un transistor

Au-delà de certaines limites : tensions, courant, puissance... un transistor peut être endommagé si ce n'est détruit. Les valeurs à ne pas dépasser sont :
VCBO : tension collecteur-base (émetteur ouvert) - ex : 50 V
VCEO : tension collecteur-émetteur (base ouverte) - ex : 45 V
VEBO : tension émetteur-base (collecteur ouvert) - ex : 6 V
ICM : courant collecteur crête - ex : 6 V
IBM : courant base - ex : 200 mA

PTOT : puissance totale dissipée - ex : 300 mW
Tj : température de jonction - ex : 175 °C