Qu’est-ce qu’un transistor bipolaire ?
Un transistor bipolaire est un dispositif semi-conducteur à trois bornes.
Également appelé transistor à jonction, il se compose de semi-conducteurs de type N et P dans une structure de jonction P-N-P ou N-P-N. Contrairement aux transistors à effet de champ (FET), qui sont des transistors unipolaires dans lesquels les trous ou les électrons libres jouent le rôle de porteurs, les transistors bipolaires sont appelés bipolaires parce que les trous et les électrons libres sont tous deux impliqués dans leur fonctionnement.
Utilisations des transistors bipolaires
Les deux principales fonctions des transistors bipolaires sont l’amplification et la commutation.
Dans les circuits d’amplification, où des signaux infimes sont portés à un niveau suffisamment important, il est plus avantageux d’utiliser des transistors bipolaires que des transistors unipolaires, surtout lorsqu’un facteur d’amplification élevé est requis. Les transistors bipolaires sont également supérieurs pour le fonctionnement à haute fréquence.
Par exemple, dans les circuits de régulation de l’alimentation électrique, le bruit de commutation avec des composants à haute fréquence doit être supprimé. Il y a une différence marquée dans le rapport de rejet du bruit et d’autres caractéristiques entre les circuits utilisant des transistors bipolaires et ceux utilisant des transistors à effet de champ.
Les transistors bipolaires sont encore utilisés dans la production de petits volumes et dans les circuits d’amplification à haute fréquence qui sont difficiles à transformer en circuits intégrés. Comme ils sont pilotés par le courant, leur consommation d’énergie est plus élevée que celle des transistors unipolaires, pilotés par la tension. Ils sont difficiles à utiliser dans les produits qui nécessitent une faible consommation de courant, tels que les produits alimentés par batterie et les équipements portables.
D’autre part, les circuits de commutation sont utilisés pour contrôler l’activation et la désactivation du courant, mais les transistors unipolaires sont supérieurs en termes de vitesse de commutation et de miniaturisation, et sont donc moins applicables dans cette application.
Principe des transistors bipolaires
Les semi-conducteurs peuvent être classés en deux catégories : les semi-conducteurs de type P et les semi-conducteurs de type N. Un semi-conducteur de type P est rempli de trous, c’est-à-dire d’un manque d’électrons, tandis qu’un semi-conducteur de type N est rempli d’un surplus d’électrons et d’électrons libres.
Les transistors sont une combinaison de semi-conducteurs de type P et de type N, mais les transistors bipolaires peuvent être constitués soit de trois régions (type P, type N et type P), soit de trois régions (type N, type P et type N).
Dans le premier cas, l’on parle de transistor PNP et dans le second de transistor NPN : les trois régions sont l’émetteur, la base et le collecteur, chacune étant reliée à une électrode traversée par une tension et parcourue par un courant de signal. La base a la particularité d’être extrêmement fine.
Le principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire est expliqué à l’aide de l’exemple d’un transistor de type NPN. Il comporte un semi-conducteur de type N pris en sandwich entre un semi-conducteur de type P. L’émetteur est connecté à la référence et le collecteur est connecté à la base.
L’émetteur étant relié à la tension de référence (0 V) et le collecteur étant relié à VCC (par exemple +5 V), lorsqu’une tension positive est appliquée à la base et qu’un courant de base Ib circule vers l’émetteur, un courant Ic de β × Ib circule du collecteur vers l’émetteur. C’est le principe de l’amplification par transistor, basé sur l’amplification du courant dans les transistors bipolaires. β est appelé le facteur d’amplification du courant et se situe généralement autour de 100~200. Dans les transistors bipolaires, le sens de la tension et du courant appliqués est opposé, mais le principe de l’amplification est le même.
En mode de commutation, un courant de base élevé Ib permet d’acheminer un courant suffisant vers la charge connectée au collecteur. Si le courant de base est réglé sur 0 A, aucun courant ne circule vers la charge. En faisant circuler ou non le courant de base Ib, le courant circulant vers la charge peut être activé ou désactivé, réalisant ainsi une opération de commutation.
Autres informations sur les transistors bipolaires
Nom du type de transistors bipolaires
Avant 1993, les normes japonaises JIS régissaient la dénomination des composants semi-conducteurs. Par conséquent, l’application du transistor peut être déterminée dans une certaine mesure à partir du nom du type. Pour les transistors bipolaires, les trois premières lettres étaient spécifiées comme suit :
- 2SA : transistor de type PNP pour les applications à haute fréquence
- 2SB : transistor de type PNP pour les applications à basse fréquence
- 2SC : transistor de type NPN pour les applications à haute fréquence
- 2SD : transistor de type NPN pour les applications à basse fréquence
Le nom du type proprement dit est composé de trois lettres suivies d’un chiffre et d’un alphabet, par exemple 2SA372Y. Les numéros commencent par 11 et se composent de deux à quatre chiffres, qui sont attribués dans l’ordre d’enregistrement et n’ont aucune signification. La dernière lettre de l’alphabet est utilisée pour indiquer le classement du facteur d’amplification, par exemple.
Cette norme JIS a été abolie en 1993 mais a continué à être utilisée dans la norme “Type names of individual semiconductor devices” de la Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA), qui lui a succédé.