Des transistors - Partie 2 : le transistor bipolaire

Continuons notre voyage dans le monde des semiconducteurs !

Bienvenue ! J'espère que vous avez lu le premier article, car on va beaucoup s'appuyer dessus pour celui-ci. Rappelons rapidement ce qu'on a vu la dernière fois.

Quand la tension aux bornes d'unde diode est suffisamment grande, au-dessus du seuil Vd, la diode conduit un courant exponentiel de la tension. Si elle est plus petite que Vd ou négative, la diode bloque persque tout le courant. Une diode parfaite n'existe pas, il y a un minuscule courant qui circule malgré tout lorsqu'elle est polarisée en sens inverse.

Imaginons prendre notre diode, qui est une jonction PN, et qu'on rajoute une jonction N au-dessus de la P. On a un espèce de drôle de composant composé d'une jonction P en sandwich entre deux jonctions N. Et voilà, on a un transistor NPN !Si on inverse les jonctions, on obtient un transistor PNP, qui fonctionne exactement pareil en inversant le signe de tous les courants et tensions. Je ne détaillerai donc le fonctionnement que du transistor NPN.

Un transistor bipolaire est composé de deux jonctions PN accolées pour partager une même électrode. Dans pas mal de sites, on retrouve cette explication du transistor représenté sous la forme de deux diodes connectées ensemble. C'EST FAUX ! Il s'agit seulement d'un rappel de la construction physique du transistor, mais on n'obtiendra jamais un transistor en connectant deux diodes de cette façon !

Maintenant, comment un transistor fonctionne-t-il ? Un peu comme une diode finalement, mais avec une troisième électrode.

Plaçons une pile entre les deux jonctions N de notre transistor, de façon à ce que la tension Vce soit de quelques Volts. De cette façon, les électrons dans le collecteur (C) sont attirés par la borne positive de la pile. Il en va de même pour l'émetteur, mais la base étant une jonction P, les électrons ne peuvent pas rejoindre le collecteur.

Quand la tension Vbe dépasse un peu la tension de seuil Vd, la jonction inférieure agit comme une diode et du courant passe de la base (B) à l'émetteur (E). Rappelons que les électrons voyagent en sens inverse du courant : de l'émetteur à la base. En revanche,  parce que la tension est plus haute au collecteur, une partie des électrons passent par la jonction N supérieure au lieu d'aller dans la base ! En rendant la jonction P très étroite et en rendant le collecteur fortement dopé N, il y a beaucoup plus d'électrons allant dans le collecteur que dans la base. Qu'est-ce que cela signifie ? Notre transistor commande le courant entre collecteur et émetteur grâce à la tension Vbe. C'est l'idée de base de notre amplificateur ! De plus, grâce aux propriétés des jonctions PN, on sait que le courant dans le transistor suivra la Loi de Shockley et que la tension Vbe restera plus ou moins constante.

Ouch, ça fait beaucoup de choses à comprendre ! Un bon café et prenez le temps de lire le dernier paragraphe. La tension Vbe contrôle le courant Ie dans l'émetteur. Notons aussi qu'il existe une relation entre les différents courants dans le transistor. Le courant dans l'émetteur est la somme du courant du collecteur et du bien plus faible courant de base : Ie = Ic + Ib.

Le courant de base est un défaut du transistor, et pas un point de départ pour faire des calculs précis. Beaucoup de sites décrivent les transistors comme des amplificateurs de courant. C'EST COMPLETEMENT FAUX quand on parle de faible puissance ! Un transistor est un amplificateur à transconductance, qui transforme une tension en courant. Les documents techniques donnent une idée de la "qualité' du transistor avec le paramètre beta, aussi appelé hfe. Il représente le gain en courant du transistor : hfe = dIc/dIb. Jamais au monde un ingénieur ne devrait concevoir une pédale d'effet ou un préampli en utilisant ce paramètre comme base de calcul. La raison est simple : hfe varie avec la température, la valeur d'Ic - donc avec des non-linéarités - et le transistor utilisé. Oui, même si ce sont les mêmes modèles ! Ce paramètre est très peu fiable pour les effets de guitare, mais s'avère utile pour certains calculs and pour les transistors de puissance.

Pour les transistors PNP, tout fonctionne de la même façon en inversant le sens des courants et tensions. Nous analyserons plus tard le fonctionnement d'un simple treble booster à transistor PNP comme un exemple pratique d'utilisation.