Transistors bipolaires: appareil, principe de fonctionnement, circuits de commutation

Le mot "transistor" est composé des mots TRANSfer et resISTOR - convertisseur de résistance. Il a remplacé les lampes au début des années 1950. C'est un dispositif à trois fils utilisé pour l'amplification et la commutation dans les circuits électroniques. L'adjectif "bipolaire" (transistor à jonction bipolaire) est utilisé pour le distinguer des transistors à effet de champ (FET). Le principe de fonctionnement d'un transistor bipolaire est d'utiliser deux jonctions p-n, formant une couche barrière, qui permet à un faible courant de contrôler bOplus actuel. Le transistor bipolaire est utilisé à la fois comme résistance contrôlée et comme interrupteur. Il existe deux types de transistors: pnp et npn.

Transition PN

Le germanium (Ge) et le silicium (Si) sont des semi-conducteurs. Le silicium est maintenant principalement utilisé. Les valences de Si et Ge sont de quatre. Par conséquent, si nous ajoutons de l'arsenic pentavalent (As) au réseau cristallin du silicium, nous obtenons un électron « supplémentaire », et si nous ajoutons du bore trivalent (B), nous obtenons une place vacante pour un électron. Dans le premier cas, on parle d'un matériau « donneur » qui donne des électrons, dans le second cas, d'un matériau « accepteur » qui accepte des électrons. En outre, le premier type de matériau est appelé N (négatif) et le second - P (positif).

Si des matériaux de types P et N sont mis en contact, alors un courant apparaîtra entre eux et une dynamique équilibre avec la région d'épuisement, où la concentration des porteurs de charge - électrons et lacunes (« trous ») - petit. Cette couche est unilatéralement conductrice et forme la base d'un dispositif appelé diode. Le contact direct des matériaux ne créera pas de transition qualitative; la fusion (diffusion) ou le « branchement » dans le cristal des ions dopants sous vide est nécessaire.

Transistor PNP

Pour la première fois, un transistor bipolaire a été fabriqué en fusionnant des gouttes d'indium dans un cristal de germanium (matériau de type n). L'indium (In) est un métal trivalent de type p. Par conséquent, un tel transistor a été appelé diffus (fusion), ayant une structure p-n-p (ou pnp). Le transistor bipolaire de la figure ci-dessous a été fabriqué en 1965. Son corps est coupé pour plus de clarté.

Le cristal de germanium au centre s'appelle la base, et les gouttes d'indium qui y sont fondues s'appellent l'émetteur et le collecteur. Vous pouvez considérer les transitions EB (émetteur) et KB (collecteur) comme des diodes ordinaires, mais la transition FE (collecteur-émetteur) a une propriété particulière. Par conséquent, il n'est pas possible de réaliser un transistor bipolaire à partir de deux diodes distinctes.

Si une tension de plusieurs volts est appliquée dans un transistor pnp entre le collecteur (-) et l'émetteur (+), un courant très faible, quelques µA, va circuler dans le circuit. Si vous appliquez ensuite une petite tension (d'ouverture) entre la base (-) et l'émetteur (+) - pour le germanium il est d'environ 0,3 V (et pour le silicium 0,6 V) - alors un courant d'une certaine amplitude s'écoulera de l'émetteur vers base. Mais comme la base est rendue très fine, elle va vite se saturer de trous (elle va « perdre » son excès d'électrons, qui ira vers l'émetteur). Étant donné que l'émetteur est fortement dopé avec une conductivité de trou, et dans une base légèrement dopée, la recombinaison électronique est légèrement retardée, puis significativement bOLa majeure partie du courant ira de l'émetteur au collecteur. Le collecteur est plus grand que l'émetteur et est légèrement dopé, ce qui lui permet d'avoir bOtension de claquage plus élevée (U_{échantillons. CE} > Vous_{échantillons. CE}). Aussi, comme la partie principale des trous se recombine dans le collecteur, elle s'échauffe plus que le reste des électrodes de l'appareil.

Il existe un rapport entre les courants collecteur et émetteur :

Habituellement, est compris entre 0,85 et 0,999 et dépend inversement de l'épaisseur de la base. Cette valeur est appelée coefficient de transfert de courant d'émetteur. En pratique, l'inverse est plus souvent utilisé (également noté h_21e):

C'est le rapport de transfert de courant de base, l'un des paramètres les plus importants d'un transistor bipolaire. Il détermine souvent les propriétés d'amplification dans la pratique.

Un transistor pnp est appelé transistor à conduction directe. Mais il existe également un autre type de transistor, dont la structure complète parfaitement le pnp dans les circuits.

Transistor NPN

Le transistor bipolaire peut comporter un collecteur émetteur en matériau de type N. Ensuite, la base est en matériau de type P. Et dans ce cas, le transistor npn fonctionne exactement comme le transistor pnp, à l'exception de la polarité - c'est un transistor à conduction inverse.

Les transistors à base de silicium surpassent tous les autres types de transistors bipolaires. Le matériau donneur pour le collecteur et l'émetteur peut être As, qui a un électron « supplémentaire ». La technologie de fabrication des transistors a également changé. Désormais, ils sont planaires, ce qui permet d'utiliser la lithographie et de réaliser des circuits intégrés. L'image ci-dessous montre un transistor bipolaire planaire (dans le cadre d'un circuit intégré à fort grossissement). Les transistors pnp et npn, y compris les plus puissants, sont fabriqués à l'aide de la technologie planaire. Le rafting a déjà été interrompu.

Un transistor bipolaire planaire en coupe dans l'image suivante (schéma simplifié).

L'image montre à quel point la conception du transistor planaire est bonne - le collecteur est efficacement refroidi par le substrat de cristal. Un transistor pnp planaire a également été fabriqué.

Les symboles graphiques du transistor bipolaire sont illustrés dans l'image suivante.

Ces UGO sont internationaux et sont également valables conformément à GOST 2.730-73.

Circuits de commutation de transistors

Habituellement, un transistor bipolaire est toujours utilisé en connexion directe - l'inversion de polarité sur la jonction FE ne donne rien d'intéressant. Pour un schéma de connexion directe, il existe trois schémas de connexion: un émetteur commun (OE), un collecteur commun (OK) et une base commune (OB). Les trois inclusions sont présentées ci-dessous. Ils n'expliquent que le principe de fonctionnement lui-même - si nous supposons que le point de fonctionnement est établi d'une manière ou d'une autre, à l'aide d'une source d'alimentation supplémentaire ou d'un circuit auxiliaire. Pour ouvrir un transistor au silicium (Si), il faut avoir un potentiel de ~ 0,6 V entre l'émetteur et la base, et ~ 0,3 V suffit pour le germanium.

Émetteur commun

La tension U1 provoque le courant Ib, le courant collecteur Ic est égal au courant de base multiplié par. Dans ce cas, la tension + E doit être suffisamment importante: 5V-15V. Ce circuit amplifie bien le courant et la tension, donc la puissance. Le signal de sortie est en opposition de phase avec le signal d'entrée (inversé). Ceci est utilisé dans la technologie numérique comme une fonction NON.

Si le transistor ne fonctionne pas en mode clé, mais en amplificateur de petits signaux (mode actif ou linéaire), alors en sélectionnant le courant de base, la tension U est réglée₂ égal à E/2 pour que le signal de sortie ne soit pas déformé. Cette application est utilisée, par exemple, lors de l'amplification de signaux audio dans des amplificateurs haut de gamme, avec une faible distorsion et, par conséquent, une faible efficacité.

Collecteur commun

En terme de tension, le circuit OK n'amplifie pas, ici le gain est de α ~ 1. Par conséquent, ce circuit est appelé un émetteur suiveur. Le courant dans le circuit émetteur est β + 1 fois supérieur à celui du circuit de base. Ce circuit amplifie bien le courant et a une sortie faible et une impédance d'entrée très élevée. (Il est temps de se rappeler qu'un transistor s'appelle un transformateur à résistance.)

L'émetteur suiveur a des propriétés et des caractéristiques de performances très adaptées aux sondes d'oscilloscope. Il utilise son énorme impédance d'entrée et sa faible impédance de sortie, ce qui convient parfaitement à un câble à faible impédance.

Base commune

Ce circuit a l'impédance d'entrée la plus faible, mais son gain en courant est de. Un circuit de base commun amplifie bien en tension, mais pas en puissance. Sa caractéristique est l'élimination de l'effet du retour de capacité (eff. Meunier). Les étages OB sont idéaux comme étages d'entrée d'amplificateurs dans des chemins RF adaptés à de faibles impédances de 50 et 75 ohms.

Les cascades à base commune sont très largement utilisées en technologie hyperfréquence et leur application en radioélectronique avec une cascade émetteur suiveur est très courante.

Deux modes de fonctionnement principaux

Distinguer les modes de fonctionnement en utilisant le signal "petit" et "grand". Dans le premier cas, un transistor bipolaire fonctionne sur une petite partie de ses caractéristiques, ce qui est utilisé en technologie analogique. Dans de tels cas, l'amplification linéaire des signaux et un faible bruit sont importants. Il s'agit d'un mode linéaire.

Dans le second cas (mode clé), le transistor bipolaire fonctionne dans toute la gamme - de la saturation à la coupure, comme une clé. Cela signifie que si vous regardez la caractéristique I-V de la jonction p-n, vous devez appliquer une petite inversion entre la base et l'émetteur pour bloquer complètement le transistor tension, et pour une ouverture complète, lorsque le transistor passe en mode de saturation, augmentez légèrement le courant de base, par rapport au petit signal mode. Ensuite, le transistor fonctionne comme un commutateur d'impulsions. Ce mode est utilisé dans les appareils de commutation et d'alimentation, il est utilisé pour les alimentations à découpage. Dans de tels cas, ils essaient d'obtenir un temps de commutation court des transistors.

La logique numérique se caractérise par une position intermédiaire entre les signaux « grands » et « petits ». Un niveau logique bas est limité à 10 % de la tension d'alimentation, et un niveau logique haut est limité à 90 %. Les temporisations et les commutations ont tendance à être réduites à la limite. Ce mode de fonctionnement est primordial, mais la puissance est ici recherchée pour être minimisée. Tout élément logique est une clé.

Autres types de transistors

Les principaux types de transistors déjà décrits ne limitent pas leur conception. Des transistors composites sont réalisés (circuit Darlington). Leur est très grand et est égal au produit des coefficients des deux transistors, ils sont donc aussi appelés transistors «superbeta».

L'électrotechnique maîtrise déjà le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT), à grille isolée. La grille du transistor à effet de champ est en effet isolée de son canal. Certes, il s'agit de recharger sa capacité d'entrée lors de la commutation, il ne peut donc pas se passer de courant.

De tels transistors sont utilisés dans des commutateurs de puissance puissants: convertisseurs d'impulsions, onduleurs, etc. En entrée, les IGBT sont très sensibles, du fait de la résistance élevée des grilles des transistors à effet de champ. À la sortie - ils permettent de recevoir des courants énormes et peuvent être fabriqués pour la haute tension. Par exemple, aux États-Unis, il existe une nouvelle centrale solaire, où de tels transistors dans un circuit en pont sont chargés sur de puissants transformateurs qui fournissent de l'énergie au réseau industriel.

En conclusion, notons que les transistors, en termes simples, sont le "cheval de labour" de toute l'électronique moderne. Ils sont utilisés partout: des locomotives électriques aux téléphones portables. Tout ordinateur moderne se compose pratiquement uniquement de transistors. Les fondements physiques du fonctionnement des transistors sont bien compris et promettent de nombreuses nouvelles avancées.

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