Transistor à jonction bipolaire (BJT) - Détails de construction et d'exploitation

Un transistor bipolaire ou un BJT est un dispositif semi-conducteur à 3 bornes qui est capable d'amplifier ou de commuter de petites tensions et courants d'entrée de signal en des tensions et des courants de signal de sortie nettement plus importants.

Comment les BJT à transistors bipolaires à jonction ont évolué

De 1904 à 1947, le tube à vide était incontestablement le dispositif électronique de grande curiosité et de croissance. En 1904, la diode à tube à vide a été lancée par J. A. Fleming. Peu de temps après, en 1906, Lee De Forest a amélioré l'appareil avec une troisième fonction, connue sous le nom de grille de contrôle, produisant le premier amplificateur, et nommée triode.

Dans les décennies suivantes, la radio et la télévision ont suscité une énorme inspiration dans le secteur du tube. La fabrication est passée d'environ 1 million de tubes en 1922 à environ 100 millions en 1937. Au début des années 1930, la tétrode à 4 éléments et la pentode à 5 éléments ont acquis une popularité dans le secteur des tubes électroniques.

Dans les années qui suivront, le secteur manufacturier est devenu l'un des secteurs les plus importants et des améliorations rapides ont été apportées à ces modèles, aux méthodes de production, aux applications haute puissance et haute fréquence, et dans le sens de la miniaturisation.

Le 23 décembre 1947, cependant, l'industrie électronique allait assister à l'arrivée d'une toute nouvelle «direction d'intérêt» et d'amélioration. Il s'est avéré à la mi-journée que Walter H. Brattain et John Bardeen ont exposé et prouvé la fonction d'amplification du tout premier transistor aux Bell Telephone Laboratories.

Le tout premier transistor (qui était sous la forme d'un transistor à contact ponctuel) est illustré à la Fig. 3.1.

Courtoisie d'image: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Les aspects positifs de cette unité à semi-conducteurs à 3 broches par rapport au tube étaient instantanément perceptibles: il s'est avéré être beaucoup plus petit, pouvait fonctionner sans `` chauffage '' ou pertes de chaleur, était incassable et solide, était plus efficace en termes de consommation d'énergie, pouvait être stockée et accessible facilement, ne nécessitait aucun démarrage initial de réchauffement et fonctionnait à des tensions de fonctionnement beaucoup plus basses.

CONSTRUCTION DE TRANSISTOR

Un transistor est fondamentalement un dispositif construit avec 3 couches de matériau semi-conducteur dans lequel soit 2 couches de matériau de type n et une seule couche de matériau de type p sont utilisées, soit 2 couches de type p et une seule couche de matériau de type n sont utilisées. Le premier type est appelé transistor NPN, tandis que la seconde variante est appelée transistor de type PNP.

Ces deux types peuvent être visualisés sur la figure 3.2 avec une polarisation CC appropriée.

Nous avons déjà appris comment en Biais DC BJT deviennent essentiels pour établir la région opérationnelle requise et pour l'amplification AC. Pour cela, la couche côté émetteur est dopée plus significativement par rapport au côté base qui est dopée moins significativement.

Les couches externes sont créées avec des couches beaucoup plus épaisses que les matériaux sandwich de type p ou n. Sur la figure 3.2 ci-dessus, nous pouvons constater que pour ce type, la proportion de la largeur totale par rapport à la couche centrale est d'environ 0,150 / 0,001: 150: 1. Le dopage mis en œuvre sur la couche en sandwich est également relativement plus faible que les couches extérieures qui varient généralement de 10: 1 ou même moins.

Ce type de niveau de dopage réduit abaisse la capacité de conduction du matériau et augmente la nature résistive en limitant la quantité de électrons libres en mouvement ou porteurs «libres».

Dans le diagramme de polarisation, nous pouvons également voir que les terminaux de l'appareil sont représentés en utilisant les lettres majuscules E pour l'émetteur, C pour le collecteur et B pour la base, dans notre prochaine discussion, je vais expliquer pourquoi cette importance est rendue à ces terminaux.

Aussi, le terme BJT est utilisé pour abréviation de transistor bipolaire et désigné pour ces 3 terminaux. L'expression «bipolaire» indique la pertinence des trous et des électrons impliqués pendant le processus de dopage par rapport à une substance de polarisation opposée.

FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR

Comprenons maintenant le fonctionnement fondamental d'un BJT à l'aide d'une version PNP de la Fig 3.2. Le principe de fonctionnement d'un homologue NPN serait exactement similaire si la participation des électrons et des trous était simplement interchangée.

Comme on peut le voir sur la figure 3.3, le transistor PNP a été redessiné, éliminant la polarisation de la base au collecteur. Nous pouvons visualiser comment la région d'épuisement semble rétrécie en largeur en raison de la polarisation induite, ce qui provoque un flux massif de porteurs majoritaires à travers les matériaux de type p aux n.

Dans le cas où la polarisation base-émetteur du transistor pnp est supprimée comme le montre la figure 3.4, le flux des porteuses majoritaires devient nul, permettant le flux uniquement des porteurs minoritaires.

En bref, nous pouvons comprendre que, dans une situation biaisée une jonction p-n d'un BJT devient polarisée en inverse tandis que l'autre jonction est polarisée en direct.

Sur la figure 3.5, nous pouvons voir les deux tensions de polarisation appliquées à un transistor pnp, ce qui provoque le flux de porteuses majoritaire et minoritaire indiqué. Ici, à partir des largeurs des régions d'appauvrissement, nous pouvons clairement visualiser quelle jonction fonctionne avec une condition polarisée en direct et laquelle est polarisée en inverse.

Comme le montre la figure, une quantité substantielle de porteurs majoritaires finit par être diffusée à travers la jonction p-n polarisée en direct dans le matériau de type n. Cela soulève une question dans notre esprit, ces porteurs pourraient-ils jouer un rôle important pour promouvoir le courant de base IB ou lui permettre de s'écouler directement dans le matériau de type p?

Étant donné que le contenu de type n en sandwich est incroyablement mince et possède une conductivité minimale, un exceptionnellement peu de ces porteurs vont emprunter cette voie particulière de haute résistance à travers la borne de base.

Le niveau du courant de base est normalement autour des microampères plutôt que des milliampères pour les courants d'émetteur et de collecteur.

La plus grande gamme de ces porteurs majoritaires va diffuser le long de la jonction polarisée en inverse dans le matériau de type p attaché à la borne de collecteur comme indiqué sur la figure 3.5.

La cause réelle de cette facilité relative avec laquelle les porteurs majoritaires sont autorisés à traverser la jonction polarisée en inverse est rapidement réalisée par l'exemple d'une diode polarisée en inverse où les porteurs majoritaires induits apparaissent comme des porteurs minoritaires dans le matériau de type n.

Pour le dire différemment, nous trouvons une introduction de porteurs minoritaires dans le matériau de la région de base de type n. Avec cette connaissance et avec le fait que pour les diodes, tous les porteurs minoritaires dans la région d'appauvrissement traversent la jonction polarisée en inverse, il en résulte un flux d'électrons, comme indiqué sur la figure 3.5.

En supposant que le transistor de la figure 3.5 est un nœud unique, nous pouvons appliquer la loi actuelle de Kirchhoff pour obtenir l'équation suivante:

Ce qui montre que le courant de l'émetteur est égal à la somme du courant de base et du courant de collecteur.

Cependant, le courant du collecteur est composé de quelques éléments, qui sont à savoir les porteurs majoritaires et minoritaires comme le montre la figure 3.5.

L'élément porteur de courant minoritaire constitue ici le courant de fuite, et est symbolisé par ICO (IC de courant ayant une borne d'émetteur ouverte).

Par conséquent, le courant net du collecteur est établi comme indiqué dans l'équation 3.2 suivante:

Le courant de collecteur IC est mesuré en mA pour tous les transistors à usage général, tandis que ICO est calculé en uA ou nA.

ICO se comportera tout à fait comme une diode polarisée en inverse et pourrait donc être vulnérable aux changements de température, et doit donc être pris en charge de manière appropriée lors des tests, en particulier dans les circuits qui sont conçus pour fonctionner dans des scénarios de plage de température très variables, sinon le résultat peut être extrêmement affecté en raison du facteur de température.

Cela dit, en raison des nombreuses améliorations avancées dans la disposition de la construction des transistors modernes, l'ICO est considérablement réduite et peut être complètement ignorée pour tous les BJT actuels.

Dans le chapitre suivant, nous apprendrons comment configurer les BJT en mode de base commun.

Les références: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen