Un transistor est un semi-conducteur contrôlable, capable de fonctionner soit comme un amplificateur de courant, soit comme un interrupteur. On parle d'un fonctionnement linéaire dans le premier cas, et d'un fonctionnement en commutation ou bloqué-saturé dans le second cas.

 

On distingue plusieurs familles de transistors:

Des transistors bipolaires,  des transistors à effet champ, et des transistors hybrides.

 

Transistors bipolaires:

 

Un transistor bipolaire comporte trois connexions:  l'émetteur: e; la base: b et le collecteur: c.

On a deux types de transistors bipolaire qui diffèrent par leur structure:

Le transistor NPN, dans lequel la base, zone de type P, est située entre deux zones de type N, à savoir l'émetteur et le collecteur.

Le transistor PNP, dans lequel la base de type N, est située entre deux zones de types P.

 

Symboles:

                 NPN                                                        PNP

 transistornpn1                                         transistorpnp1

 

 

Cractéristique de transfert:

Elle permet de déterminer l'amplification en courant. Elle est notée β:

                       β = Ic/Ib;

                       Ic: courant collecteur (A);

                       Ib: courant base (A).

On note aussi le coefficient d'amplification entre Ic et Ie,  α:

                       α = Ic/Ie.    

Courant de fuite:

Lorsqu'on alimente la jonction collecteur-base, on constate l'existence d'un courant Icb0, appelé courant de fuite. Ce courant est donné par la relation:

Ic = βIb + Icb0;

On peut ainsi dterminer le courant Ice0 par:

Ice0 = (β + 1)Icb0 .

Relation ou relation d'Ebers-moll, Ic = f(Vbe) pour des grands signaux est donnée par la formule:

Ic = Is(e(Vbe/VT) - 1);

Is  = β0Ibs  et VT = η(kT/q);

Is: courant de saturation de la jonction base-émetteur (A);

k: constante de Boltzmann (J/K);

q: charge d'un électron (C);

T: température (K);

η: coefficient qui dépend de la géométrie de la jonction. compris entre 1 et 2.

 

Transistor en régime de commutation:

Pour réaliser la commutation, on utilise le montage suivant:

 

           transistorcommut1

 

Transistor bloqué:

Pour obtenir cet état, Vce = U, et Ic = Icb0. Icb0 étant le courant collecteur lorsque le courant de base Ib est nul.

Transistor saturé:

Pour obtenir cet état, il que le courant de base Ib > Ic/β;  la valeur de Ic est obtenue par:

Ic = (U - Vce sat)/RL.  Pour donner un ordre d'idée, Vce sat pour un transistor 2N1711 est égale à 0.3V.

Ces deux états sont illustrés par la caractéristique suivante donnée en exemple:

 

          caracteristiquetrans1    

 

En général, les trois grandeurs Vce sat, Ic sat et Ib sat sont précisées par les constructeurs.

 

Durée de la commutation:

On définit, le temps de fermeture ton comme la combinaison d'un temps de retard (td : delay time) et d'un temps de montée (tr: rise time).

                       ton = td + tr;

td: temps de retard entre l'instant d'application du courant Ib et le passage de Ic à 10% de sa valeur finale;

tr: temps de montée de Ic entre 10% et 90% de sa valeur finale.

 

De même on définit le temps d'ouverture (ou de blocage) toff comme étant la combinaison d'une durée d'évacuation des charges stokées (ts: storage time) et d'un temps (tf: fall time)de descente de Ic entre 90% et 10% de sa valeur.

                       toff = ts + tf.

Puissance dissipée:

En théorie, lorsque le transistor est bloqué, Ic = 0, il ne dissipe pas de puissance; lorsque le transsitor est saturé, Vce ≈ 0, il ne dissipe pas de puissance non plus.

Mais en réalité, Durant les phases de commutation, Ic et Vce existent bien et sont tous les deux différents de 0. Si on suppose que le courant Ic(t) suit une loi linéaire telle que:

Ic(t) = Ic sat (t/ton) durant l'ouverture et Ic(t) = Ic sat(1 - t/toff) durant la fermeture, on démontre que la puissance dissipée par le trnasistor à chaque impulsion:

                P ≈  (U•Ic sat/6)•(ton + toff). (en W.s).

A partir de ces hypothèses, on peut dire que l'échauffement du transistor en régime de commutation est proportionnele à la fréquence de répétition des basculement. Plus cette fréquence augmente, plus le transistor s'échauffe.

Nous allons simplement citer ici les techniques permettant d'améliorer ce temps de commutation:

La polarisation inverse de la base, la technique par pointe de courant, la technique de la variation du courant.

 

Association des transistors bipolaire:

Dans certains cas, le courant Ic d'un transistor n'est pas suffisant pour piloter les charges. Il est donc intéressant d'associer deux transistors en un montage appelé Montage Darlington:

 

                  darlington1              

Ic = β0Ib; On suppose que le transistor T1 a pour amplification en courant β1 et T2 a pour amplification en courant β2.  Alors β0 =  β1β2 + β1 + β2.

Exemple de circuit intégré à transistors montés en Darlington: ULN2803.

 

Transistor à effet de champ:

 

On distingue deux catégories de transistors à effet de champ (ou FET en anglais Field Effect Transistor), Les transistors JFET, et les transistors MOSFET.

Ils sont constitués de trois broches: la grille: G, le drain: D et la source: S.

Transistor JFET:

C'est un transistor dont la grille n'est pas isolée. Ce trnasistor peut fonctionner en bloqué-saturé, ou en régime linéaire.

Symbole:

   Canal N                                                    Canal P     

  jfetn1                          jfetp1

 

Transistor MOSFET:

Le transistor MOSFET désigne un transistor à effet champ à enrichissement à canal N ou P à grille isolée (MOSFET: Métal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistpr).

Symboles:

   Canal N                                                 Canal P

 

 mosfetn1                        mosfetp1

 

De part sa constitution, le MOSFET possède une diode parasite montée en inverse entre le drain et la source.

 

Caractéristiques:

Un transistor FET est caractérisé par:

son type: FET ou MOSFET;

le type de canal: N ou P;

la tension de claquage Drain - Source à VGS = 0: VDSS;

la tension Drain - Source maximale: VDS;

le cournat de drain maximal: ID;

la résistance à l'état passant: RDSON;

la capacité d'entrée: Ciss;

la puissance de dissipation maximale: Ptot;

le temps de mise en conduction: tdon;

le temps de blocage: tdoff;

le temps de descente: tf;

le temps de recouvrement de la diode inverse: trr;

la tension Grille - Source de blocage: VGSoff;

la trension d'avalanche Grille - Source, Drain en l'air: VGS0;

la tension d'avalanche Grille - Drain, Source en l'air: VGD0.

 

Transistor MOS en régime de commutation:

Pour réaliser la commutation, on utilise le montage suivant:

          commutnmos1

Le passage de l'état bloqué à l'état passant du transistor est réalisé par polarisation de la grille (VGS); lorsqu'il est dans cet état, il se comporte comme une résistance pure entre le drain et la source (RDSon).

 

La condition de saturation est donnée par:

VGS ≥ VGSoff + ID/gm;  (transistor NMOS à enrichissement)

VGSoff: tension Grille - Source de blocage ou tension de seuil;

ID: courant drain;

gm: transconductance du transistor (A/V);

 

La condition de blocage est donnée par:

VGS < VGSoff;  (transistor NMOS à enrichissement).

Le circuit intégré  CD4007 par exemple est bâti sur une structure à base de transistor MOS.

Remarque:

Les trnasistors MOS sont senbles à l'électricité statique, et aux tensions inverses appliquées sur la grille; afin d'assurer leur protection, il est recommandé monter une diode zéner entre la grille (cathode de la diode) et la source (anode de la diode).

Paramètres liés à la commutation:

le temps d'établissement: ton, c'est le temps mis par le cournat ID pour passer de 0 à 90% de sa valeur après polarisation de la grille;

le temps de retard à la croissance: tdon, définit l'intervalle de temps entre l'instant où la tension VGS atteint 10% de sa valeur et l'instant où la tension VDS est descendue à 90% de sa valeur initiale;

le temps de croissance: tr, c'est le temps de décroissance de la tension drain-source de 90 à 10% de sa valeur initiale;

le temps de coupure: toff;

le temps de retard à la décroissance: tdoff, c'est l'intervalle de temps entre l'instant où la tension VGS atteint 90% de sa valeur initiale, et l'instant où la tension VDS atteint 10% de sa valeur finale;

le temps de décroissance: tf, définit l'intervalle de temps entre l'instant où la tension VDS passe de 10 à 90% de sa valeur finale.

La puissance totale dissipée dans le trnasistor en commutation est donnée par:

Ptot = (Won + Wcond + Woff)/Tcond;

Won: énergie dissipée pendant la mise en conduction;

Wcond: énergie dissipée pendant la conduction;

Woff: énergie dissipée au blocage;

Tcond: période de fonctionnement.

Transistors IGBT

Le transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est un transistor bipolaire à grille isolée. Il est composé de trois broches: la grille: G,  l'émetteur: E, le collecteur: C.

Un IGBT est réalisé en associant un un transistor MOSFET en commande et un transistor bipolaire en sortie puissance; en obtenant ainsi les avantages d'un transistor bipolaire pour le VCEsat, et ceux des transistor MOS pour la commande.

Le passage de l'état bloqué à l'état passant de transistor est réalisé par la polarisation de la grille.

On peut citer deux modes de réalisation d'IGBT: la structure épitaxiale  et la structure homogène.

 

Les caractéristiques de commutation de l'IGBT sont à rapprocher de celles des transistors MOS ou bipolaires. Seul le temps de blocage constitue une limitation.