Le premier transistor à jonction bipolaire a été inventé chez Bell Laboratories en 1947. « Bipolaire » fait référence à bipolaire, d'où le nom de transistor à jonction bipolaire (BJT). Un BJT est un dispositif à trois bornes avec un collecteur (C), une base (B) et un émetteur (E).
Il existe actuellement deux types de cristaux à jonction bipolaire, à savoir les transistors NPN et PNP. Dans cet article, nous présenterons la structure, le principe de fonctionnement et l'application du transistor PNP.
Qu'est-ce qu'un transistor PNP ?
Le transistor PNP est un type de transistor bipolaire à jonction (BJT) composé de trois couches de semi-conducteurs dopés. Dans un transistor PNP, les porteurs de charge majoritaires sont des trous, qui circulent de l'émetteur vers la base, puis vers le collecteur. Le transistor PNP est largement utilisé dans les circuits électroniques comme commutateur ou amplificateur.
Structure du transistor PNP
Pour illustrer la structure d'un transistor PNP, considérez le schéma suivant :
Un transistor PNP est constitué de trois couches alternées de matériaux semi-conducteurs de type P et de type N. Ces trois couches sont appelées émetteur (E), base (B) et collecteur (C). Elles sont disposées en sandwich, les deux couches de type P entourant la couche de type N, d'où le nom PNP.
Dans ce schéma, l'émetteur se trouve à gauche, le collecteur à droite et la base au milieu. La base est très fine et légèrement dopée, tandis que l'émetteur et le collecteur sont fortement dopés. Le dopage des couches crée des jonctions entre elles, qui sont responsables du fonctionnement du transistor.
Lorsqu'une tension est appliquée à la base du transistor PNP, un faible courant circule de l'émetteur vers la base. Ce courant provoque la circulation d'un courant beaucoup plus important du collecteur vers l'émetteur, qui peut être utilisé pour contrôler un circuit externe.
Comment fonctionne un transistor PNP ?
Comme mentionné ci-dessus, un transistor est un dispositif de contrôle du courant qui possède deux couches d'appauvrissement avec un potentiel de barrière spécifique nécessaire à la diffusion des couches d'appauvrissement. Le potentiel de barrière d'un transistor en silicium est de 0,7 V à 25 °C, tandis que celui d'un transistor en germanium est de 0,3 V à 25 °C. Le type de transistor le plus couramment utilisé est le silicium, car c'est l'élément le plus abondant sur Terre après l'oxygène.
Fonctionnement interne :
La structure d'un transistor PNP est telle que les régions du collecteur et de l'émetteur sont dopées avec un matériau de type p, et que la région de la base est dopée avec une fine couche de matériau de type n. La région de l'émetteur est fortement dopée par rapport à la région du collecteur. Ces trois régions forment deux jonctions, qui sont la jonction collecteur-base (CB) et la jonction base-émetteur.
Lorsqu'un potentiel négatif VBE descendant de 0 V est appliqué à la jonction base-émetteur, des électrons et des trous commencent à s'accumuler dans la région d'appauvrissement. Lorsque le potentiel est encore abaissé en dessous de 0,7 V, la tension de barrière est atteinte et la diffusion se produit. Par conséquent, les électrons circulent vers le pôle positif et le courant de base (IB) est opposé au flux d'électrons. De plus, si une tension VCE est appliquée à la borne du collecteur, un courant commence à circuler de l'émetteur vers le collecteur. Par conséquent, les transistors PNP peuvent agir à la fois comme des commutateurs et des amplificateurs.
Zone de fonctionnement et mode de fonctionnement :
- Zone active : IC = βxIB – fonctionnement en amplificateur
- Zone de saturation : IC = courant de saturation – fonctionnement en commutation (complètement activé)
- Zone de coupure : IC=0 — fonctionnement en commutation (complètement fermé)
Exemples d'application des transistors PNP
1. Transistor PNP comme commutateur
Les transistors PNP sont souvent utilisés comme commutateurs dans les circuits. Dans cet exemple, nous utilisons le modèle PSPICE et le transistor PN2907A. N'oubliez pas d'utiliser une résistance de limitation de courant à la base. Un courant de base trop élevé peut endommager le BJT. Selon la fiche technique ci-dessous, le courant de collecteur continu maximal est de 600 mA et le gain correspondant (hFE ou β) est indiqué dans la fiche technique comme condition d'essai. La tension de saturation et le courant de base correspondants sont également disponibles.
Étapes pour sélectionner les composants :
1. Déterminez le courant du collecteur, qui correspond au courant consommé par la charge. Dans ce cas, il serait de 200 mA (en parallèle avec la LED ou la charge) et la résistance serait de 60 ohms.
2. Afin de conduire le transistor à un état saturé, un courant de base suffisant doit être consommé pour que le transistor soit complètement activé. Calculez le courant de base et la résistance correspondante à utiliser. Voici la formule de calcul du courant de base et de la résistance de base dans un transistor PNP :
IB=IC/β=-200 mA / 90=-2,2 mA≈-2,5 mA
RB=VBE/IB=-5/-2,5 mA=2000 Ohm≈2,2k Ohm
Pour une saturation complète, le courant de base est d'environ 2,5 mA (ni trop élevé, ni trop faible). Vous trouverez ci-dessous le circuit pour une base de 12 V, identique à celui pour un émetteur à la masse, pendant lequel le commutateur est désactivé.
En théorie, le commutateur est complètement ouvert, mais dans la pratique, on observe un courant de fuite. Ce courant est négligeable puisqu'il est mesuré en pA ou nA. Pour mieux comprendre le contrôle du courant, on peut considérer un transistor comme une résistance variable entre le collecteur (C) et l'émetteur (E), dont la résistance varie en fonction du courant traversant la base (B).
Au départ, lorsqu'aucun courant ne circule à travers la base, la résistance entre CE est si élevée qu'aucun courant ne circule à travers elle. Lorsqu'une différence de potentiel de 0,7 V et plus apparaît à la borne de base, la jonction BE se diffuse et provoque la diffusion de la jonction CB. À présent, le courant circulant de l'émetteur vers le collecteur est proportionnel au courant circulant de l'émetteur vers la base, ce qui correspond au gain.
Voyons maintenant comment contrôler le courant de sortie en contrôlant le courant de base. IC fixe = 100 mA, bien que la charge soit de 200 mA, le gain correspondant dans la fiche technique est compris entre 100 et 300, et en suivant la même formule ci-dessus, nous obtenons :
IB=IC/β=-100 mA/250=-0,4 mA
RB=VBE/IB=-5/-0,4 mA=12500 Ohm≈13k Ohm
La différence entre les valeurs réelles et calculées est due à la chute de tension à travers le transistor et à la charge résistive utilisée. De plus, la valeur standard de la résistance de 13 kOhm a été utilisée à la base au lieu de 12,5 kOhm.
2. Transistor PNP comme amplificateur
L'amplification consiste à convertir un signal faible en une forme utilisable. Le processus d'amplification est une étape importante dans de nombreuses applications telles que la transmission sans fil de signaux, la réception sans fil de signaux, les lecteurs MP3, les téléphones mobiles, etc. Les transistors peuvent amplifier la puissance, la tension et le courant dans différentes configurations.
Voici quelques configurations utilisées dans les circuits amplificateurs à transistors :
- amplificateur à émetteur commun
- amplificateur à collecteur commun
- amplificateur à base commune
Parmi les types ci-dessus, le type à émetteur commun est la configuration la plus couramment utilisée. Cette opération se produit dans la région active, un exemple étant un circuit amplificateur à émetteur commun à un étage. Un point de polarisation CC stable et un gain CA stable sont importants pour la conception d'un amplificateur. Le nom d'amplificateur à un étage est utilisé lorsqu'un seul transistor est utilisé.
Ci-dessus se trouve un amplificateur à un seul étage, dans lequel un signal faible appliqué à la borne de base est converti en un signal égal à bêta fois le signal réel à la borne de collecteur.
Configurations de circuits amplificateurs à transistors PNP
Les circuits amplificateurs se déclinent en trois configurations : émetteur commun (CE), base commune (CB) et collecteur commun (CC). Ces configurations utilisent différents éléments capacitifs et résistifs pour l'amplification et la stabilisation du signal.
Émetteur commun (CE)
La configuration CE (émetteur commun) comprend un condensateur de couplage (CIN) et un condensateur de couplage de sortie (COUT). Le CIN couple le signal d'entrée à la base du transistor, permettant aux signaux CA de passer tout en isolant les signaux CC. Le COUT couple le signal de sortie du transistor au circuit de charge et ne laisse passer que le signal CA. La configuration CE utilise également un condensateur de dérivation comme chemin à faible résistance pour le signal amplifié.
Dans la configuration CE, R2 et RE sont utilisés pour assurer la stabilité de l'amplificateur, tandis que R1 et R2 agissent ensemble comme un diviseur de tension afin de garantir la stabilité au point de polarisation CC.
Base commune (CB)
Dans un amplificateur CB, l'entrée est appliquée à la borne d'émetteur et la sortie est prélevée à la borne de collecteur. La borne d'émetteur est polarisée en sens direct, tandis que la borne de collecteur est polarisée en sens inverse. Les conditions de polarisation d'un amplificateur CB fournissent une faible impédance d'entrée et une impédance de sortie élevée.
Le circuit amplificateur à base commune peut être représenté par l'équation suivante : Av = -gmRc, où Av est le gain en tension, gm est le paramètre de transconductance et Rc est la résistance de charge. Le gain en tension d'un amplificateur à base commune est inférieur à un, mais il présente un gain en courant élevé et une large bande passante.
Collecteur commun (CC)
L'amplificateur CC est également appelé émetteur suiveur, car la tension de sortie suit de près la tension d'entrée. Dans un circuit amplificateur CC, la borne d'émetteur est toujours polarisée à une tension légèrement inférieure à la tension de base, généralement autour de 0,6 V pour un transistor au silicium. Cela garantit que le transistor se trouve dans la zone active et peut amplifier le signal d'entrée.
L'amplificateur CC présente une impédance d'entrée élevée et une impédance de sortie faible, ce qui le rend adapté aux applications d'adaptation d'impédance et d'amplification de tension. Il offre également un gain de courant élevé et une large bande passante à gain unitaire, ce qui le rend idéal pour la mise en mémoire tampon des signaux entre les étages d'un amplificateur.
