Chapitre 4 Le transistor bipolaire à jonction BJT ...fuuu.be/polytech/ELECH402/Mathys/CH04_BJT_d20.pdf · ELEC-H-301 et la suite de ce cours). ... Le transistor bipolaire à jonction

CH04_BJT_d20.shwELEC-H-402/ 04 : BJT 09-01-14 16 :41:18

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beams

1

Chapitre 4

Le transistor bipolaire à jonctionBJT (Bipolar Junction Transistor)

ELEC-H-402ÉLECTRONIQUE ANALOGIQUE

2


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3

< Bipolar Junction Transistor‚ bipolaire : repose sur le déplacement de trous et d'électrons‚ jonction : réglage du courant basé sur les propriétés des

jonctions PN passantes et bloquantes< historique

‚ inventé en 1948‚ premier type de transistor utilisé massivement à partir des

années 1960 pour remplacer les tubes‚ presque totalement remplacé par les transistors à effet de

champ dans les CI numériques‚ subsiste en composant discret ou CI analogiques, ou CI logiques

rapides associé au CMOS ou certains dérivés en puissance

BJT : introductionun pionnier en déclin

4

Le transistor bipolaire à jonctions doit son nom au fait que son principe de fonctionnement repose sur les deuxtypes de porteurs (trous et électrons). Il combine deux jonctions PN.

Depuis son invention en 1948, le transistor bipolaire à jonction s'est considérablement développé et a été utilisédans tous les créneaux : (électronique analogique, électronique numérique et électronique de puissance). Il aatteint son apogée dans les années 1970. Depuis, le pourcentage des montages où il intervient commecomposant principal se réduit continuellement au profit d'autres transistors dits "à effet de champ"(cf. coursELEC-H-301 et la suite de ce cours).

Il reste utilisé dans des applications - à fréquences élevées (au-delà du GHz) comme composant discret et dans des circuits intégrés- en circuits intégrés numériques (en association avec les CMOS comme dans les technologies BiCMOS)- en électronique de puissance (surtout au sein de dispositifs plus complexes, comme les IGBT)


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5

BJT

<structure<<<

PLAN

6


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beams

7

BJT: structureempilement de 3 couches PNP ou NPN

EB

P

N PNbase

émetteur

métalB

Ccollecteur

SiO2

B

C

E

PNP

EB

N

N NPbase

émetteur

métalB

Ccollecteur

SiO2

B

E

C

NPN

8

Le transistor bipolaire à jonction est un empilement de 3 couches de silicium, obtenues par diffusionssuccessives de dopants.Un exemple de structure est présenté ici, mais il en existe de nombreuses autres variantes, dont l'étude sort ducadre de ce cours. Le principe de fonctionnement que nous verrons dans la suite du chapitre s'applique à tousles BJT.Deux types de transistors bipolaires existent. Leur nom est l'ordre d'empilement des couches soit PNP et NPN.La couche centrale porte le nom de base, les couches externes sont l'émetteur et le collecteur. Nousjustifierons ces noms par la suite.


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9

BJT: structure générique simplifiéeon isole un barreau fictif

CE

B

N NP B

E

C

NPN

CE

B

P PN B

C

E

PNP

jonctionbase-émetteur

jonctionbase-émetteur

jonctionbase-collecteur

jonctionbase-collecteur

sens passantde la diode BE

sens passant dela diode BE

10

Pour étudier les principes des BJT, nous allons nous limiter à la zone centrale de la dia précédente et considérerun transistor formé d'un barreau de largeur homogène et qui comprend trois couches successives, définissant 2jonctions :

- la jonction base-émetteur- la jonction base-collecteur

Dans le symbole du BJT l'électrode qui porte la flèche est l'émetteur ; on voit sur cette figure que les symbolesdu PNP et du NPN diffèrent par le sens de la flèche, qui indique le sens du courant conventionnel (de P vers N)dans la jonction base-émetteur.

Cette structure simplifiée masque la dissymétrie entre collecteur et émetteur, visible à la dia précédente etdestinée à améliorer les performances du transistor.


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11

BJT

<<principe de fonctionnement‚ dopages et géométrie‚ polarisation des jonctions et niveaux

d'énergie‚ concentration des minoritaires dans la base‚ gain en courant ‚ notion de commande en tension et en courant

<<

PLAN

12


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beams

13

BJT : dopage et géométrieE,C fort dopés et longs / B peu dopée et courte

CE

B

nE nCpB

LE LB LC

dopages: nE>nC>>pB longueurs: LE,LC>>Lp LB<Ln

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Le principe même du BJT repose sur une dissymétrie des dopages et des longueurs.

- l'émetteur est beaucoup plus dopé que la base

- le collecteur est moins dopé que l'émetteur mais plus dopé que la base

- le collecteur et l'émetteur sont sensiblement plus longs que la longueur de diffusion de leurs porteursminoritaires

- la base est plus courte que la longueur de diffusion de ses porteurs minoritaires


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beams

15

BJT : polarisation "normale" des jonctionsBE en polarisation directe / BC en polarisation inverse

CE

B

N NP0V

B

E

C

jonction BEen polarisation directe

.0,6Vjonction BCen polarisation inverse

+10V

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Prenons un NPN et polarisons positivement le collecteur par rapport à l'émetteur par une source de tensioncontinue.

Polarisons également positivement la jonction base-émetteur par une source de courant (ou une source detension munie d'une résistance pour limiter le courant de base).

La tension de base est donc voisine de la tension de seuil de la diode passante Base-Emetteur soit environ 0,6Vpour le silicium. Les écarts par rapport à cette valeur dépassent rarement ± 0,2V.

On en déduit que, lorsque la tension de collecteur est supérieure à la tension de seuil base-émetteur, la jonctionbase-collecteur est polarisée en inverse . C'est le cas dans la plupart des montages d'électronique, sauf lescircuits logiques et l'électronique de puissance.


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BJT : injection de minoritaires Eþ BB courte => survie des minoritaires aspirés par C

CE

B

N NP

jonction BEpolarisation directe

jonction BCpolarisation inverse

0V +10V

.0.6V

B

E

C

N

W(e-)

P N

B CEavec polarisation

N

W(e-)

P N

B CEsans polarisation

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L'essentiel du fonctionnement du transistor BJT est visible sur cette figure.

La polarisation directe de la jonction BE diminue la barrière de potentiel BE, tandis que le fort dopage del'émetteur par rapport à la base engendre une injection de porteurs minoritaires dans la base (voir chap 2 :jonction PN dissymétrique).

Ces porteurs diffusent dans la base et leur nombre devrait décroître exponentiellement au fur et à mesure quel'on pénètre dans la base. C'est ici qu'intervient la géométrie du transistor : comme la longueur de la base estplus faible que la longueur de diffusion, la plupart des porteurs injectés survivent jusqu'à la zone detransition de la jonction base-collecteur . Là, ils sont aspirés par le champ électrique élevé dû à la polarisationinverse de la jonction B-C et se retrouvent au collecteur où ils se déplacent par conduction, mûs par la source detension externe.Ils sont ensuite véhiculés par les fils de connexion, traversent la source de tension et sont amenés à l'émetteur,puis réinjectés dans la base. Ce processus est continu et se poursuit tant que l'on connecte les sourcesextérieures.

L'émetteur est donc ainsi appelé parce qu'il "émet" des porteurs minoritaires dans la base ; ceux-ci la traversentet sont "collectés" par le collecteur.

"Injecteur" aurait probablement été un nom plus approprié pour l'émetteur.


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BJT : conduction bipolaire ......dominée par les minoritaires

NW(e-)

P N

B CEvalence

conduction

jonction BE : polarisation directecourant de porteurs majoritaires

jonction BC : polarisation inversecourant de porteurs minoritaires

faible recombinaison(base étroite)

déplacement des é-déplacement des trous

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Sur cette dia, l'épaisseur des flèches donne une idée de l'intensité des courants.

Pour un NPN, le courant de la jonction base-émetteur est principalement un courant d'électrons allant del'émetteur à la base car- la jonction BE est dissymétrique et polarisée en direct, donc le courant est presque exclusivement composé

des porteurs majoritaires de la région plus dopée, c.-à-d. des électrons- la base est peu dopée et ne peut fournir que très peu de trous comparativement aux électrons fournis par

l'émetteur

Ces électrons franchissent la zone de transition extrêmement mince (car la polarisation est directe) et seretrouvent dans la base où ils augmentent considérablement la quantité de porteurs minoritaires (phénomèned'injection).

Les électrons franchissent la base par diffusion, sauf quelques-uns qui retombent dans la bande de valence(recombinaison électron-trou). La base étant très mince devant la longueur de diffusion, la proportion d'électronsarrivant jusqu'à la jonction BC est très importante.

Le courant de la jonction base-collecteur est principalement formé de ces électrons minoritaires de la base quipassent au collecteur car :

- la jonction BC est polarisée en inverse, donc le courant BC est presque exclusivement un courant "de fuite",composé de porteurs minoritaires accélérés par la barrière de potentiel

- les porteurs minoritaires sont très peu nombreux dans le collecteur, qui est fortement dopé, alors qu'ils sonttrès nombreux dans la base, gavée par à l'injection.


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21

BJT : évolution de la composition du courantfacteur de survie du courant d'émetteur "=iC/iE

iE = iB + iC

E B C

N P N

CE

B

N NPiE

0,6V

+10V0ViC

déplacement des é-

déplacement des trous

iE(iE(iE

(1-()iE(1-()iE(1-8)(iE(1-8)(iE

8(iE8(iE

*iE*iE

"iE=(8(+*)iE

(1-")iE

B

E

C

22

Définissons " comme la fraction du courant d'émetteur qui parvient au collecteur : iC= ". iELe courant de base est donc i B = iE - ".iC = (1- ").iE

Faisons le bilan du courant de collecteur : soient, par seconde- iE électrons entrant par la métallisation de l'émetteur- à la jonction BE, le courant change légèrement de composition, suite aux excès de charges dus à la polarisation

positive et aux courants de diffusion qui en résultent- le débit d'électrons s'appauvrit faiblement et devient (.i E (avec ( proche de 1)- le déficit est comblé par le courant de diffusion de trous (1 - ().i E

- une fraction importante 8 de ces électrons arrive à la jonction BC (avec 8 proche de 1) car la base est mince parrapport à la longueur de diffusion

- le reste (1- 8).iE est perdu par recombinaison et consomme donc la même quantité de trous- le courant de collecteur ".i E est le courant de fuite de la jonction base-collecteur, composé des

! 8(.iE électrons venant de la base! *.iE trous quittant le collecteur vers la base ( * est faible car le collecteur, fort dopé, contient peu de minoritaires)

Nous avons donc " = 8(+ * . 8( car * << 8(

Bilan du courant de base :- le courant entrant se compose de

! (1-").iE trous fournis par la source extérieure connectée à la base via la métallisation! *.iE trous venant du collecteur (courant de fuite)

- le courant sortant se compose de ! (1-() iE trous alimentant le courant de diffusion de trous dans l'émetteur! (1-8)(.iE perdus par recombinaison avec une quantité égale d'électrons provenant de l'injection

Nous retrouvons bien1- " + * = 1 - ( + ( -8( " = 8(+ *

" est donc un nombre proche de l'unité


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23

BJT : principesimportance relative des courants: iB<1% => ".1

on aiE = iB + iC donc iC < iE

on a défini " tel queiC = " iE et iB = (1-") iE

or " = 8( avec 8 et ( proches de 1

donc- " est proche de 1- le courant collecteur est légèrement inférieur au courant

d'émetteur- le courant de base est très inférieur aux deux autres courants (en

pratique de l'ordre de 1%)

24


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beams

25

BJT : principesles minoritaires de B décroissent .linéairement de Eþ C

nB = nBo evBE/VT

nB . 0

pB

nB

JC

xN P N

nEo

pBo

nCo

[m-3]

x

[m-3]

E

B

C

pEopCo

nBo

nEo

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Négligeons la recombinaison dans la base, puisqu'elle est de l'ordre de 1%. Cela revient à dire que la densité decourant est constante sur la longueur de la base.Le courant de base est un courant de minoritaires, donc de diffusion. Il est proportionnel en tout point augradient de concentration des minoritaires; s'il est constant, cela implique que la concentration de minoritairesévolue linéairement. Il suffit donc de connaître deux points de cette droite pour évaluer le courant.

- à la frontière du collecteur, la concentration doit être nulle à cause de l'aspiration des minoritaires par lechamp électrique de la zone de transition (1). La droite ne peut donc que pivoter autour de ce point fixe

- à la frontière de l'émetteur la concentration varie exponentiellement avec la tension v BE(voir chapitre sur la jonction PN)

On en déduit que la pente de la droite, et donc le courant de collecteur, varient exponentiellement avec VBE.

(1) en réalité, si la concentration était strictement nulle, le courant serait nul. En raison du champ électrique très élévé, la vitessedes minoritaires est très élevée et une concentration très faible assure le courant.


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27

BJT : principesla non-linéarité se voit en exagérant iB

pB

nB

JE =JB+JC

JC

xN P N

nEo

pBo

nCo

[m-3]

x

[m-3]

E

B

C

pEopCo

nBo

nEo

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Sur cette figure, on a exagéré la valeur du courant de base par rapport à la réalité. Dans ce cas, la répartitiondes porteurs de charge dans la base se creuse au centre, à cause de la recombinaison.Le gradient de concentration à la frontière base-émetteur est proportionnel au courant d'émetteur.Le gradient de concentration à la frontière base-collecteur est proportionnel au courant de collecteur.La différence des gradients représente le courant de base.

REM: nous verrons au cours d'électronique de puissance qu'une telle situation, où le courant de base ne peutpas être négligé, se rencontre dans des transistors BJT spéciaux; le courant de base est toujours négligeablepour les transistors BJT de signal.


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beams

29

BJT : principestous les courants varient exponentiellement avec VBE

Courant de base = courant de diode BE

JB = JBr (e -1) . JBr e (vBE>0)vBE/VT vBE/VT

dnB -e Dn vBE/VTJC = -e Dn = nBo e

dx LB

Courant de collecteur = courant de diffusiondes minoritaires dans la base

JE = JC +JB % JBr e vBE/VT

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La jonction BE étant polarisée en direct, elle se comporte comme une diode dont le courant varie quasi-exponentiellement avec la tension V BE.

Nous venons de voir que le courant de collecteur variait également exponentiellement avec V BE.

Le courant d'émetteur, qui en est la somme, fera donc de même.


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beams

31

BJT : principes iC(vBE) et iB(vBE) : allure exponentielle...

0.3V 0.4V 0.5V 0.6V 0.7V 0.8V 0.9V

200

150

100

50

0

iC

iC[mA]

1.0V

3

2

1

iB[mA]

i

2N3904 VCE=20V

32

Cette dépendance exponentielle de i B et iC avec la tension VBE se vérifie sur les courbes caractéristiques dutransistor 2N3904.

On voit que la tension VBE présente le seuil habituel de l'ordre de 0,6V et que le courant maximal (qui est de200mA pour ce type de transistor) est atteint pour une tension V BE nettement inférieure à 1V.


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beams

33

BJT : principes iC(vBE) et iB(vBE) exponentielle confirmée en échelle log

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1.0mA

1.0uA

1.0nA

1.0pA

100A

100mA

100uA

100nA

100pA

0.3

iC

iC

iBiB

2N3904 VCE=20V

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La dépendance exponentielle des courants par rapport à V BE est confirmée en traçant les caractéristiquesiC(VBE) et iB(VBE) en échelle logarithmique.

La pente s'affaiblit à fort courant, à cause des effets résistifs (chutes de tension internes aux couches deSilicium) déjà expliqués lors de l'étude de la diode.


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beams

35

BJT : principesle gain statique en courant $DC= iC/iB varie avec iC

0.3V 0.4V 0.5V 0.6V 0.7V 0.8V 0.9V 1.0V

3

2

1

200

150

100

50

0

$ $ü : saturation des recombinaisons $ú

iB[mA]iC[mA]

$DC = iC / iB

2N3904 VCE=20V

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Le gain en courant statique $DC est défini comme le rapport du courant de collecteur au courant de base

$DC = iC / iB

La dia précédente suggérait un rapport quasi-constant. En réalité, $ DC varie sensiblement en fonction du niveaude courant dans la base.

A très faible polarisation de la base , les recombinaisons électron-trou sont plus importantes que prévu àcause d'irrégularités dans le cristal; ces défauts sont appelés "centres de recombinaison" parce qu'ils lesfavorisent. Au fur et à mesure qu'augmente le débit de minoritaires dans la base, ces centres de recombinaisonsont saturés, leur importance relative diminue et $DC croît.

Les raisons pour lesquelles $DC passe par un maximum, puis décroît à fort courant, seront vues dans le cadredu cours d'électronique de puissance. Retenons qu' à fort courant le gain décroît et que le BJT n'est donc pasle composant idéal pour fournir des impulsions de courant importantes.


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beams

37

BJT : principe" ou $ sont 2 vues de la survie des minoritaires dans B

iC = " iEiE = iC + iBiB = iE - iC = iC / " - iC = iC.(1-")/"

" $DC$DC = " =

1 - " 1 + $DC

ordre de grandeur : $DC > 100 et " > 0.99

38

BJT

<<<caractéristiques statiques‚ réseau iC(vCE)‚ région de coupure‚ région de saturation‚ région active

<

PLAN


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beams

39

BJT : caractéristique statique iC(vCE)4 zones de fonctionnement

0 10 20 30 40

300

200

100

0 B = 0

iC[mA]

vCE[V]coupure

saturation

coude

région active

2N3904

40

Le réseau de courbes le plus classique représente l'évolution du courant de collecteur en fonction de latension collecteur-émetteur, avec le courant de base comme paramètre . On l'appelle réseau de Kellog et ilest tracé à titre d'exemple pour un 2N3904.

Plusieurs régions peuvent être distinguées sur ce réseau :

- à courant de base nul, le courant de collecteur est apparemment nul : c'est la région de coupure

- à courant de base non nul et constant, le courant i C commence par croître très rapidement dans les premiersdixièmes de volts de VCE : c'est la région de saturation

- lorsque VCE dépasse quelques dixièmes de V on passe le "coude de saturation" et le courant collecteurdevient beaucoup moins dépendant de la tension V CE: c'est la région active

- enfin, vers 40V (1), le courant croît très rapidement : c'est le claquage, qui entraîne généralement ladestruction du transistor par échauffement; cette région est donc interdite. Le claquage est dû soit àl'avalanche de la jonction base-collecteur, soit au phénomène de percement (qui sera examiné au coursd'électronique de puissance)

L'augmentation du courant de base dilate la caractéristique vers le haut.

Nous allons repasser en revue chacune de ces différentes régions dans les dias suivantes.

(1) pour le 2N3904, d'autres transistors ont une tension de claquage nettement plus élevée (jusqu'à plus de 1000V pour des transistors spéciaux)


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beams

41

BJT : caractéristique statique iC(vCE)iB=0: région de coupure => petit courant de fuite

0 10 20 30 40 50

3

2

1

0

[nA]iC

vCE[V]

région de coupure

!!2N3904

42

En l'absence de commande de base (i B=0), le courant de collecteur est très faible.En effet, le courant collecteur est dû au courant de fuite de la jonction base-collecteur polarisée en inverse, etdonc aux porteurs minoritaires des deux régions.Lorsque la jonction base-émetteur est polarisée en direct, l'injection de minoritaires dans la base augmenteconsidérablement ce courant de fuite et constitue le courant principal lors du fonctionnement normal dutransistor.Ici, on ne polarise pas la jonction base-émetteur, donc les rares porteurs minoritaires disponibles sont d'originethermique. Ils sont plus nombreux dans la base, qui est moins dopée que le collecteur.

La dia montre l'influence de la température et la faible valeur du courant de fuite qui, pour le 2N3904, n'est quede quelques nA à 100oC, soit 105 fois moins que le courant de collecteur maximal du transistor.


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beams

43

BJT : vue interne en coupureplus d'injection | courant de fuite de la jonction BC

x

[m-3] E B C

pEopCo

nBo

nB=0

vBE<0 vBE=0

< coupure de la jonction B-E‚ iB = 0 => pas d'injection émetteur-base‚ on peut même appliquer vBE<0 => nB=0

< iC . courant de fuite de la jonction BC

44

Si le courant de base est nul, la jonction base-émetteur n'est pas polarisée. On est en région de coupure.La densité de porteurs minoritaires est toujours nulle à la frontière de la zone de transition base-collecteurpolarisée en inverse.Si la tension vBE est nulle, la densité de porteurs à la zone de transition base-émetteur est la densité d'équilibrenBo et elle diminue graduellement vers la droite.

On peut encore renforcer la coupure en appliquant une tension base-émetteur qui polarise la jonction BE eninverse. Dans ce cas, les deux jonctions sont polarisées en inverse. La concentration de porteurs minoritaires devientnulle aux deux frontières de la base.


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beams

45

BJT : iC(vCE) région de saturationiC croît très vite pour vCE faible

0 2 4 6 8 10

300

200

100

0 B = 0

[mA]iC

vCE[V]

coude de saturation

région active2N3904

46

Un zoom sur les faibles valeurs de v CE met mieux en évidence la région de saturation. On voit que, pourdifférentes valeurs de iB, le départ de toutes les courbes est pratiquement superposé; le niveau du courant debase détermine seulement la valeur de i C au coude de saturation.La rapide croissance du courant dans la zone de saturation pour les premiers dixièmes de volt de v CE s'expliquepar la répartition des porteurs minoritaires dans la base, que nous allons détailler à la dia suivante.


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beams

47

BJT : vue interne en saturationsaturation : injection Cþ B qui diminue si VCE ü

x

[m-3] E

B

C

pEopCo

nBo

nB = nBo evBE/VT

nB = nBo e (ú si VCE ü)vBC/VT

nB

vCE < vBE => vC < vB => vBC > 0jonction BC en polarisation directe

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L'état du transistor en saturation n'est pas celui qui a été décrit lors de l'explication de son fonctionnementnormal.

Lorsque vCE < vBE (c'est-à-dire quelques dixièmes de V) la jonction base-collecteur est polarisée en direct. Ily a donc injection de porteurs minoritaires dans la base à la fois par l'émetteur et le collecteur. La répartition desporteurs minoritaires dans la base est toujours linéaire (en négligeant i B devant iC), mais ce segment de droiten'est plus articulé autour d'un point de concentration nulle à la frontière de la zone de transition base-collecteur.

A polarisation constante de la jonction base-émetteur (i B constant), le point de gauche du segment est fixe. SivCE est très proche de 0, alors la jonction base-collecteur est polarisée en direct et le point de droite du segmentest situé à une ordonnée voisine de celle du point de gauche. La pente du segment est faible et donc le courantde collecteur également.

Au fur et à mesure que l'on fait croître la tension v CE, la jonction base-collecteur est de moins en moinspolarisée, le point droit du segment s'abaisse et la pente croît, ainsi que le courant collecteur.

La croissance est rapide puisque v BC agit de manière exponentielle sur l'ordonnée du point de droite.

Une fois que vCE>=vBE, on passe le coude de saturation et la jonction base-collecteur est polarisée en inverse.Le courant de collecteur devient à première vue indépendant de v CE, puisque la concentration de minoritaires àla frontière de la zone de transition du collecteur est fixée à zéro.

On entre alors en région active détaillée à la dia suivante.


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beams

49

BJT : iC(vCE) en région active. source de courant pilotée par iB

région active

0 10 20 30 40 50

300

200

100

0 B = 0

[mA]iC

vCE[V]coupure

2N3904

50

La région active correspond à une polarisation directe de la jonction base-émetteur (i B>0, vBE>0) et unepolarisation inverse de la jonction base-collecteur (v BC<0).

Les courbes caractéristiques (i C,vCE) sont quasi horizontales; en première approximation, le transistor est doncune source de courant pilotée par la polarisation de la jonction base-émetteur. Cette source n'est pas parfaite,puisqu'elle conserve une dépendance par rapport à la tension à ses bornes attestée par la légère pente descourbes.

Nous allons maintenant examiner les autres caractéristiques statiques, en particulier les caractéristiques detransfert exprimant la dépendance du courant collecteur avec le courant de base et avec la tension base-émetteur.


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beams

51

BJT : iC(iB) caract. de transfert en courant Point Q : $DC est la corde, $AC est la pente

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 iB[mA]

300

200

100

iC

iC[mA]

2N3904 : VCE=25V

IBQ

QICQ

$DC=iC/iB

$AC=)iC /)iB

52

Nous verrons que, dans les applications d'amplification, on place le transistor en un point de fonctionnementQ à l'aide de sources de tension continues. On applique ensuite de petites variations de courant de base autourdu courant moyen iBQ.

Le rapport entre les variations du courant de collecteur et cette variation du courant de base est appelé gain encourant à petits signaux.

Par définition, $AC est donc la dérivée de la caractéristique de transfert en courant i C(iB).

Il ne faut pas confondre le gain $ AC à petits signaux et le gain statique $ DC=iC/iB, que nous avons définiprécédemment et qui est la pente de la corde de la caractéristique de transfert i C(iB).

Le plus souvent $AC est noté simplement $.

Le point Q est aussi appelé point de repos


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beams

53

BJT : caractéristiques statiques iC(iB) - variation des $ avec le courant

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 iB[mA]

250

200

150

100

iC

$DC,$AC300

200

100

iC[mA]

$DC=iC/iB

$AC=)iC /)iB

54

Nous retrouvons ici un résultat précédent. Les gains en courant sont croissants avec i B (et donc avec iC) à trèsfaible courant et décroissants au-delà.L'ordre de grandeur des deux gains est similaire. A très petit courant iC (quelques mA) les valeurs seconfondent (ce qui n'est pas visible sur la figure).


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beams

55

BJT : caract. de transfert en tension iC(vBE)point de repos Q - pente = tranconductance gm

600 650 700 750 800 850

300

200

100

vBE[mV]

iC[mA]

Q

2N3904 VCE=25V

vBEQ

gm=)iC /)vBE [S-1]

56

On peut tracer une autre caractéristique de transfert dite "en tension" car la grandeur d'abscisse est la tensiond'entrée VBE.

Plaçons à nouveau le transistor en un point de fonctionnement Q à l'aide de sources de tension continues, puisappliquons de petites variations de tension de base )v BE autour de ce point de fonctionnement.

Le rapport entre la variation du courant de collecteur provoquée par cette variation de la tension )v BE estappelé transconductance gm.

Par définition, gm est donc la dérivée de la caractéristique de transfert i C(vBE) et dépend du point defonctionnement (voir dia suivante).

Contrairement au gain statique en courant, nous ne définirons pas ici de transconductance statique.


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beams

57

BJT : caract. de transfert en tension iC(vBE)iC et gm dépendent de vBE

600 650 700 750 800 850

300

200

100

vBE[mV]

iC[mA]

iC

2N3904 VCE=25V3

2

1

gm[S-1]

gm=)iC /)vBE

58

Ce diagramme reprend la caractéristique de transfert en tension, ainsi que sa dérivée, c.-à-d. latransconductance.


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beams

59

BJT : caractéristiques de transfertcomportement très différent si on commande iB ou vBE

iC[mA]

iB[mA]

200

200

200

200

2000 1 2 3

commande en tensionfortement non linéaire

vBE[V]0 0.5 1

commande en courantquasi-linéaire

60

En superposant les deux caractéristiques de transfert, on voit une énorme différence de forme entre lacommande en courant, consistant à imposer le courant de base, et la commande en tension, qui impose latension base-émetteur.

Le gain en courant $ varie, mais pas dans des proportions importantes, aussi la commande du courantcollecteur par le courant de base est-elle quasiment linéaire.

Par contre, si l'on considère que la variable d' entrée est la tension de base, alors la dépendance estexponentielle et, pour obtenir une dépendance linéaire, il faut se restreindre à de petites variations de v BEautour d'un point de fonctionnement, pour que l'on puisse confondre la courbe et sa tangente.


©

beams

61

BJT : région activeEffet Early: les courbes ont une pente non nulle

0 10 20 30 40 50

300

200

100

0 B = 0

[mA]iC

vCE[V]

région active

coupure

2N3904

62

D'après les explications précédentes, le courant de collecteur dans la région active ne devrait dépendre que dela commande de base (c.-à-d. de i B ou de vBE).

Or, a courant de base constant, on observe une croissance du courant collecteur avec la tension v CE : c'estl'effet Early.

Une fois encore, l'explication vient de la répartition des minoritaires dans la base.


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beams

63

BJT : Effet Early / vue interneVCE ü Y largeur de base ú Y dn/dx ü Y iC ü

[m-3] E B C

pEopCo

nBonB

JC1 VCE1

[m-3] E B C

pEopCo

nBonB

JC2>JC1

VCE2 > VCE1base + courteJC2>JC1

64

Lorsque la tension collecteur-émetteur augmente, la polarisation inverse de la jonction base-collecteur augmenteégalement, puisque la tension base-émetteur reste constante.

La zone de transition de la jonction base-collecteur s'élargit et envahit la base, puisqu'elle est moins dopéeque le collecteur. La largeur effective de la base diminue.Comme la densité de porteurs minoritaires injectés par l'émetteur ne se modifie pas, le gradient spatial de ladensité de minoritaires dans la base dn/dx augmente donc la courant i C également, par la loi de Fick.

On assiste donc à l'effet Early : dans la zone active, le courant de collecteur est croissant avec la tension V CE, àcourant de base constant.


©

beams

C CE B CO B CE A

d B A CO B

i (v ,i ) I (i ).[1 v / V ]r (i ) V / I (i )

= +

=

65

BJT : Effet Earlytoutes les courbes convergent à la tension de Early

-VA

CO(iB)

iC

vCE[V]

tension de Early

C

E

66

On peut montrer que, si l'on prolonge les caractéristiques i C(vCE), elles convergent vers un point d'abscisse (- VA).

VA est appelée tension de Early et est comprise entre 50 et 150V.

Le transistor en zone active peut donc être modélisé par une source de courant imparfaite dont- le courant de court-circuit vaut ICO- la résistance traduisant l'effet Early vaut r d

Ces deux valeurs sont évidement dépendantes du courant de base.


©

beams

67

BJT

<<<<conclusions‚ fonctionnement idéalisé‚ imperfections

PLAN

68

BJT : conclusionsrésumé idéalisé des régions

E B C

x

nB

active

source de courantcommandée par iB

C

E

E B C

x

nB

coupure

B

E

C

circuit ouvertfaible i de fuite

E B C

x

nB

saturation

B

E

C

. court-circuitvCE = 0,1 à 0,5V


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beams

69

< région active : BJT= vanne électronique ‚ iC est une source de courant pilotée via la base

! si on impose vBE, la commande est fortement non-linéaire(exponentielle)

! si on impose iB, la commande est quasi linéaire iC=$DC.iB où $DC est le gain en courant

< région de coupure : BJT = circuit ouvert‚ iB=0 ou vBE#0 => iC=0

< région de saturation : BJT = court-circuit

BJT : conclusionsfonctionnement idéalisé

70

< région active‚ $DC n'est pas constant : $DC(iC)

! croissant si iC faible! décroissant à fort iC

‚ source de courant imparfaite ! iC = $DC.iB + rd.vCE

< région de coupure : ‚ › courant de fuite (faible)

< région de saturation‚ › faible chute de tension vCEsat

BJT : conclusionsimperfections

iC

$

C

E

Documents

Chapitre 4 Le transistor bipolaire à jonction BJT ...fuuu.be/polytech/ELECH402/Mathys/CH04_BJT_d20.pdf · ELEC-H-301 et la suite de ce cours). ... Le transistor bipolaire à jonction