Les transistors

• Après la diode, nous étudions le transistor bipolaire ou transistor jonction.

Un peu d’histoire pour commencer

• suite aux travaux sur la physique des semi-conducteurs de Schottky (1930), la diode jonction P-N est mise au point dans les laboratoires Bell par Russel Ohl en 1939.

• puis le transistor est mis au point en 1947 par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain toujours dans les laboratoires Bell. Ils reçoivent en 1956 le prix Nobel de physique.

• En 1954, Texas Instrument s'associe avec la société d'ingénierie IDEA dans l'indiana pour produire Le premier récepteur radio FM transistorisé fabriqué industriellement, le Regency TR-1.

En 1955 le TRADIC (de l'anglais TRAnsistor DIgital Computer or TRansistorized Airborne DIgital Computer) a été le premier ordinateur à transistors généraliste des États-Unis.

Présentation du composant 

• Il existe différents boîtiers selon la puissance dissipée :

- métalliques (qui peuvent être montés sur des radiateurs)

- plastique.

• Les datasheets sont des fiches techniques qui regroupent l'ensemble des carractéristiques du composant.

• Un transistor (bipolaire ou jonction) est composé :

- d'un émetteur
> repéré par la flèche

- d'une base
> trait vertical

- d'un collecteur
> sans repère (masse des boîtiers métalliques).

• Deux types de transistors : les NPN et les PNP

- différencié par la flèche
> PNP : Pénêtre
>> émetteur relié au +

- NPN : Ne Pénêtre pas
> émetteur relié au -
> les NPN sont les plus courants.

- la flèche indique le sens du courant dans le transistor.

Le gain des transistors

• Le courant collecteur est fonction du courant de base :

 - gain en courant = β

- I_c = I_b. β

• D’autre part :

- I_e = I_c + I_b

• le gain est un coefficient (n’est pas donné en dB) d’où son autre nom :
h_FE avec h = fonction de transfert ; F = Forward current amplification ; E = common Emitter.

• Le gain est toujours donné par le constructeur pour du courant continu et pour une température de 20°C.

- le gain augmente avec la température, d'où les problèmes liés à l'emballement thermique.

- le gain diminue lorsque la fréquence à amplifier augmente.
> la fréquence de coupure est la fréquence pour laquelle le gain n'est plus que de 70% du gain initial en courant continu (à 20°C), ce qui correspond à une perte en puissance de 3 dB (arrondi).

• La jonction base-émetteur est assimilable à une diode passante.

- l’émetteur est fortement dopé et la base, très mince, est faiblement dopée. Si bien que la recombinaison électron-trou

- au niveau de cette jonction fonctionne mal.

- quelques charges se recombinent mais la majorité des charges (99%) se dirigent vers la jonction base-collecteur.

• La jonction collecteur-base :

- est polarisée en inverse

- ne constitue pas une barrière de potentiel comme dans une simple diode :
> le collecteur et la base sont peu dopés.
> la jonction base-collecteur est donc peu active et les charges, attirées par la tension du collecteur, y sont propulsées : c'est l'effet transistor.
> le courant collecteur est proportionnel au courant de base (I_c = I_b.β)

• La recombinaison trou-électron génère du bruit (qui s’ajoute au signal amplifié)

- les transistors au Germanium génèrent moins de bruit que ceux au Silicium.

- pour réduire le bruit, les FET seront préférés (pas de recombinaison).

Exemple

Sur la base d'un transistor dont le gain (β) est de 80 est appliqué un courant de 500 μA.
Quelle intensité est constatée sur le collecteur du transistor (en mA) ?

Réponse

I_c = I_b.β = 500 μA x 80

= 40 000 μA = 40 mA

Montages des transistors

• Trois montages fondamentaux existent et ont des caractéristiques spécifiques qu’il faut connaître :

- montages (sur la broche "commune", il n’y a ni entrée ni sortie) :
> Émetteur commun (le plus courant)
> Collecteur commun
> Base commune (peu utilisé)

Les transistors FET

• Les transistors FET (Field Effect Transistor en anglais ou TEC, transistor à effet de champ) s'apparentent plus aux tubes thermoïoniques qu'aux transistors jonction.

- l'entrée s'appelle la source,

- la sortie s'appelle le drain,

- la commande se nomme la porte (gate en anglais)

- on ne parle pas de gain comme pour les transistors jonction mais de pente (= I_d/V_g) 

- deux types : canal N ou canal P

- ce transistor est nommé aussi "FET à jonction" ou JFET pour le distinguer du MOS-FET.

D’autres transistors existent mais ne sont pas au programme :

• les MOS-FET (ou FET à porte isolée) possèdent souvent deux portes : G1 est la porte de commande où le signal d’entrée est appliqué, la tension de G2 définit la pente du montage. A la différence des FET à jonction, la tension de commande des portes est positive par rapport à la source.

• le transistor unijonction (UJT), appelé aussi diode à deux bases, est composé d’un émetteur sur lequel est appliqué le signal d’entrée et de deux bases.

- peu utilisé dans les applications radioamateurs, il est remplacé de nos jours par un thyristor.

- quelques questions recensées sur le nom des électrodes (émetteur et 2 bases).

• le thyristor est composé d’une anode, d’une cathode et d’une gâchette et est utilisé en courant continu (interrupteur).

• un triac est composé de deux thyristors montés tête-bêche.

Diodes thermoïoniques

• Les diodes thermoïoniques (appelées aussi valves) ont été les premiers tubes thermoïoniques mis au point au début du 20ème siècle.

John fleming

John Ambrose Fleming est né à Lancaster le 29 novembre 1849 et meurt à Sidmouth dans le Comté du Devon le 18 avril 1945.

C'est un physicien et ingénieur électricien anglais. Il est passé à la postérité en tant qu’inventeur du kenotron en 1904, la première lampe à effet thermoïonique ou tube électronique, qui est l'ancêtre des diodes à semiconducteurs. En Grande-Bretagne on lui attribue la Règle de la main gauche (pour les moteurs électriques).

• Dans une ampoule en verre ou en céramique, dans laquelle on a fait le vide, se trouve deux électrodes :

- la cathode constituée d'un fil chauffé par un filament.

> la température élevée de la cathode génère une émission d'électrons.

- les électrons sont récupérés sur l'anode, ou plaque, lorsque sa tension est positive par rapport à la cathode.

> le courant plaque sera d'autant plus fort que la tension plaque sera élevée.

Autres tubes thermoïoniques

La Triode

L'intensité plaque varie en insérant entre anode et cathode une grille de commande, alimentée négativement par rapport à la cathode. Plus la tension grille (Vg) est négative, plus le courant plaque (Ip) est faible car les électrons refusent de passer à travers la grille et sont repoussés par celle-ci.

La tétrode

En augmentant la fréquence du courant amplifié par le tube, des effets capacitifs entre grille et plaque nuisent au bon fonctionnement du circuit (auto-oscillation). Pour éviter ce phénomène, une électrode est insérée entre grille et plaque : l'écran.

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La pentode

Une troisième grille est ajoutée, la suppresseuse, qui est reliée à la cathode. Sans cette grille, le choc des électrons sur la plaque les fait rebondir et retournent sur l'écran.

- il existe d'autres tubes avec des fonctions spécifiques et/ou des électrodes supplémentaires.

- certaines ampoules accueillent plusieurs tubes ayant des fonctions différentes (pentode-triode, double diode, …).

Lee de Forest

Il est né le 26 août 1873 et meurt le 30 juin 1961. Cet inventeur américain, s'était lui même autoproclamé "père de la radio". C'était surtout un pionnier dans le développement de l'enregistrement sonore sur film utilisé pour les films. Son invention la plus célèbre, en 1906, était le tube à vide à trois éléments "Audion" (la triode) , le premier appareil d'amplification pratique.

Bien que De Forest n'ait qu'une compréhension limitée de son fonctionnement, c'est le fondement du domaine de l'électronique, rendant possible la radiodiffusion, les lignes téléphoniques longue distance et les films parlants, parmi d'innombrables autres applications.