Apprendre l'électronique. Leçon 8: Les transistors.

Introduction

Nous avons déjà évoqué le principe de fonctionnement des transistors dans l’article joint d’une vidéo sur les relais. Cet article a pour but de couvrir certains détails techniques supplémentaires propres aux transistors.

Le transistor

L’invention du transistor a littéralement révolutionné toute l’électronique et, est encore aujourd’hui le pilier fondamental de tous les micro-contrôleurs, CPU et pour aller plus vite, de toute l’électronique moderne. Il est toujours sous le joug de nouvelles avancées technologiques révolutionnaires visant à le miniaturiser toujours plus lui permettre une densité plus élevée ou encore une consommation plus efficace.

Pour vous dire, aujourd’hui, la taille des transistors se joue à l’échelle de quelques dizaines d’atomes tout au plus et les usines et machines permettant leur fabrication coutent plusieurs milliards d’euros et compte parmi leur personnel, les plus grands ingénieurs de tous les temps. Autant vous dire : on ne plaisante pas avec les transistors.

Fonctionnement

Un transistor NPN est composé de 3 couches matérielles. L’émetteur, la base, et le collecteur.

Transistor NPN à jonction Bipolaires

Il existe son homologue, le transistor PNP qui repose sur un fonctionnement inversé.

Transistor PNP à jonction Bipolaires

Souvenez-vous dans l’article sur les diodes, nous avions étudié la structure dans laquelle deux couches étaient dopées, l’une de type donneur(N) et l’autre de type accepteur(P). Dans le cadre d’un transistor, cela suit exactement le même principe.

Les couches N sont composés de matériaux donneurs d’électrons, contenant des électrons libres tandis que P est constitué de matériaux accepteurs d’électrons, des atomes qui ont faim d’électrons en quelque sorte, créant ainsi des trous prêts à compenser. Les zones entre N et P sont des zones de déplétion dont la taille varie entre un transistor passant ou bloquant.

Quand la zone de déplétion s’estompe entre l’émetteur et la base, celle entre la base et le collecteur s’agrandit. Le champ électrique de la jonction Base vers Collecteur (polarisée en inverse) aspire les électrons injectés dans la base depuis l’Émetteur.

Description détaillée d’un transistor NPN

Sur le schéma suivant, un simple montage décrit deux circuits distincts. Le premier à gauche, relie l’émetteur à la masse et, la base à Vcc en passant par une résistance de protection (comme vous protégeriez une diode). Le second circuit relie une charge arbitraire à Vcc et au collecteur, et la masse est, elle aussi, raccordée à l’emetteur.

À la minute où vous faites passer ne serait ce que quelques électrons dans le premier circuit, la zone de déplétion entre E et B va drastiquement se reduire, et par effet de transistor, une enorme quantité d’électrons passent entre E et C dans le second circuit. Créant ainsi un effet d’amplification (Représenté sur le schéma par l’épaisseur du trait).

Le rapport d’amplification β se calcule simplement par le rapport entre le courant au Collecteur(Ic) sur le courant à la Base(Ib).

\[β = \frac{Ic}{Ib}\]

Ainsi une petite variation du courant sur la Base entraine une grande variation du courant sur le Collecteur. L’amplification de tension entre le Collecteur et l’Émetteur (Vce) vient de la résistance du Collecteur(Rc) et se calcule de la façon suivante :

\[Vce = Vcc - Ic × Rc\]

Symboles

Voici les deux symboles correspondants à NPN et PNP

Usages

Deux usages distincts découlent de l’amplification du signal reçu sur la base : soit vous restez dans la limite technique du composant (par exemple 0 à 20 mA) et exploitez un signal propre de sortie qui sera le produit d’un facteur d’amplification, soit vous utilisez le transistor tel un simple interrupteur, et, au lieu de proprement rester dans ses limites, vous décidez de saturer le transistor, de sorte que le transistor laisse passer un courant maximal.

Quand on utilise le transistor en mode interrupteur, on s’efforce de basculer rapidement entre les zones bloquée et saturée pour éviter de rester dans la zone linéaire (amplification). Rester dans cette zone revient à voir le transistor comme une résistance et celui-ci dissipe alors de la puissance sous forme de chaleur.

Comment s’en servir

Les transistors essayent plus ou moins de respecter quelques conventions, mais s’il y a bien une chose sur laquelle vous pouvez vous asseoir en électronique : vos certitudes. Prenez le nom de votre composant, allez chercher son datasheet, et basez-vous la-dessus. Les brochages ne suivent pas toujours un standard unique.

Exemple de datasheet pour un 2N2222 : telecharger datasheet

Conclusion

Nous aurons un nombre infini de cas d’usage du transistor. Que ce soit l’étude de signaux, leur amplification ou encore l’étude des portes logiques, les transistors seront au cœur de nombreux projets.