Qu'est-ce qu'un transistor bipolaire et quels sont ses circuits ?

L'utilisation de dispositifs à semi-conducteurs (SSD) est très répandue dans la radioélectronique. Cela a permis de réduire la taille de divers appareils. Le transistor bipolaire est largement utilisé, grâce à certaines caractéristiques, il a une fonctionnalité plus large que le simple transistor à effet de champ. Pour comprendre à quoi il sert et dans quelles conditions, il est nécessaire d'examiner son principe de fonctionnement, ses méthodes de raccordement et sa classification.

Conception et fonctionnement

Le transistor est un semi-conducteur électronique composé de 3 électrodes, dont l'une est l'électrode de commande. Les transistors bipolaires diffèrent des transistors polaires en ce qu'ils ont deux types de porteurs de charge (négatifs et positifs).

Les charges négatives sont des électrons qui sont libérés de la couche externe du réseau cristallin. Les charges de type positif, ou trous, se forment à la place de l'électron libéré.

La construction d'un transistor bipolaire (BT) est assez simple, malgré sa polyvalence. Il est constitué de 3 couches de type conducteur : un émetteur (E), une base (B) et un collecteur (C).

L'émetteur (mot latin signifiant "libération") est un type de jonction semi-conductrice dont la fonction principale est d'injecter des charges dans la base. Le collecteur (mot latin signifiant " collecteur ") est utilisé pour recevoir les charges de l'émetteur. La base est l'électrode de contrôle.

Les couches d'émetteur et de collecteur sont presque identiques, mais diffèrent par le degré d'impuretés ajoutées pour améliorer les caractéristiques du capteur. L'ajout d'impuretés est appelé dopage. Pour la couche du collecteur (CL), le dopage s'exprime faiblement pour augmenter la tension du collecteur (Uk). La couche semi-conductrice émettrice est fortement dopée afin d'augmenter le U de claquage inverse admissible et d'améliorer l'injection de porteurs dans la couche de base (augmente le coefficient de transfert de courant - Kt). La couche de base est faiblement dopée pour offrir une plus grande résistance (R).

La jonction entre la base et l'émetteur a une surface plus petite que le K-B. La différence de surface est ce qui améliore le Kt. Lorsqu'un PCB est en fonctionnement, la jonction K-B est allumée avec une polarisation inverse pour donner l'essentiel de la quantité de chaleur Q, qui est dissipée et permet un meilleur refroidissement du cristal.

La réactivité de la BT dépend de l'épaisseur de la couche de base (BS). Cette dépendance est une valeur qui varie selon une relation inversement proportionnelle. Une épaisseur plus faible se traduit par des performances plus rapides. Cette dépendance est liée au temps de transit des porteurs de charge. Cependant, dans le même temps, l'Uk est réduit.

Un courant élevé circule entre l'émetteur et K, appelé courant K (Ik). Une petite quantité de courant circule entre E et B - le courant B (Ib), qui est utilisé pour le contrôle. Quand Ib change, il y a un changement dans Ik.

Le transistor possède deux jonctions p-n, E-B et K-B. Lorsqu'il est actif, E-B est connecté en polarisation directe et K-B est connecté en polarisation inverse. Comme la jonction E-B est ouverte, les charges négatives (électrons) passent dans B. Ceci est suivi par leur recombinaison partielle avec les trous. Cependant, la plupart des électrons atteignent K-B en raison du faible dopage et de la faible épaisseur de B.

Dans la BS, les électrons sont des porteurs de charge non basiques et le champ électromagnétique les aide à surmonter la transition K-B. Lorsque Ib augmente, l'ouverture E-B s'élargit et davantage d'électrons circulent entre E et K. Il en résultera une amplification importante du signal de faible amplitude car Ik est supérieur à Ib.

Afin de mieux comprendre la signification physique d'un transistor bipolaire, nous devons l'associer à un exemple illustratif. Nous devons supposer que la pompe à eau est la source d'énergie, le robinet est le transistor, l'eau est Ik et le degré de rotation de la poignée du robinet est Ib. Pour augmenter la hauteur de chute, vous devez tourner un peu le robinet - effectuer une action de contrôle. L'exemple permet de conclure que le principe de fonctionnement du PP est simple.

Cependant, avec une augmentation significative de U à la jonction K-B, une ionisation de choc peut se produire, dont la conséquence est une propagation en avalanche de la charge. Ce processus, combiné à un effet tunnel, produit un claquage électrique et, avec le temps, un claquage thermique qui provoque la défaillance du circuit imprimé. Il arrive qu'une panne thermique se produise sans panne électrique à la suite d'une augmentation importante du courant dans la sortie du collecteur.

En outre, lorsque U change au niveau de K-B et E-B, l'épaisseur de ces couches change, si B est mince, un effet de serrage (également appelé perforation de B) se produit, dans lequel les jonctions K-B et E-B sont connectées. À la suite de ce phénomène, le PP cesse de remplir sa fonction.

Modes de fonctionnement

Un transistor de type bipolaire peut fonctionner selon 4 modes :

1. Actif.
2. Coupure (PO).
3. Saturation (SS).
4. Barrière (RB).

Le mode actif des BT peut être normal (NAR) et inverse (IAR).

Mode actif normal

Dans ce mode, U, qui est direct et appelé tension E-B (Ue-B), circule à la jonction E-B. Ce mode est considéré comme optimal et est utilisé dans la plupart des circuits. La jonction E injecte des charges dans la région de la base, qui se déplacent vers le collecteur. Ce dernier accélère les charges, créant ainsi un effet d'amplification.

Mode actif inverse

Dans ce mode, la jonction K-B est ouverte. Le BT fonctionne dans la direction opposée, c'est-à-dire qu'à partir de K, les porteurs de charges de trous passant par B sont injectés. Ils sont collectés par la transition E. Les propriétés de gain du BT sont faibles et les BT sont rarement utilisés dans ce mode.

Mode de saturation

En PH, les deux jonctions sont ouvertes. En connectant E-B et K-B à des sources externes dans le sens direct, le BT fonctionnera en PH. Le champ électromagnétique de diffusion des jonctions E et K est atténué par le champ électrique généré par des sources externes. Cela entraîne une réduction de la capacité de barrière et limite la diffusivité des principaux porteurs de charge. Cela commencera à injecter les trous de E et K dans B. Ce mode est principalement utilisé en technologie analogique, mais il peut y avoir des exceptions dans certains cas.

Mode de coupure

Dans ce mode, le BT est complètement fermé et incapable de conduire le courant. Cependant, des flux mineurs de porteurs de charge non basiques sont présents dans le BT, créant des courants thermiques de faibles valeurs. Ce mode est utilisé dans différents types de protection contre les surcharges et les courts-circuits.

Mode barrière

La base du BT est reliée par une résistance au K. Une résistance est incluse dans le circuit K ou E, qui fixe la quantité de courant (I) traversant le BT. Le BR est souvent utilisé dans les circuits car il permet au BT de fonctionner à n'importe quelle fréquence et sur une plus grande plage de température.

Schémas de câblage

Pour une application et un câblage corrects des DP, vous devez connaître leur classification et leur type. Classification des transistors bipolaires :

1. Matériaux de fabrication : germanium, silicium et arséniure de gallium.
2. Caractéristiques de fabrication.
3. Dissipation de puissance : faible puissance (jusqu'à 0,25 W), puissance moyenne (0,25-1,6 W), puissance élevée (supérieure à 1,6 W).
4. Limite de fréquence : basse fréquence (jusqu'à 2,7 MHz), moyenne fréquence (2,7-32 MHz), haute fréquence (32-310 MHz), ultra-haute fréquence (au-dessus de 310 MHz).
5. Objectif fonctionnel.

L'objectif fonctionnel des BT est divisé en plusieurs types :

1. Amplificateurs basse fréquence avec facteur de bruit normalisé et non normalisé (NNNFS).
2. Amplificateurs haute fréquence à faible rapport de bruit (LNNKNSH).
3. Amplificateur ultra-haute fréquence avec NiNNSCh.
4. Amplificateur haute puissance haute tension.
5. Générateur de haute et ultra-haute fréquence
6. Amplificateurs de commutation haute tension à faible et forte puissance.
7. Puissance pulsée élevée pour un fonctionnement à haute valeur U.

Il existe en outre des types de transistors bipolaires :

1. P-n-p.
2. N-p-n.

Il existe 3 circuits de commutation du transistor bipolaire, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients :

1. Général B.
2. Common E.
3. Common K.

Connexion de la base commune (CB)

Ce circuit est utilisé à des fréquences élevées, permettant une utilisation optimale de la réponse en fréquence. La connexion d'un seul TC en mode OhB puis en mode OB augmentera sa réponse en fréquence. Ce schéma de connexion est utilisé dans les amplificateurs de type antenne. Les niveaux de bruit à haute fréquence sont réduits.

Avantages :

1. Valeurs de température optimales et large gamme de fréquences (f).
2. Valeur Uk élevée.

Inconvénients :

1. Faible gain en I.
2. Entrée faible R.

Connexion d'un émetteur ouvert (OhE)

Lorsqu'ils sont connectés dans ce circuit, l'amplification de U et I se produit. Le circuit peut être alimenté par une seule source. Il est souvent utilisé dans les amplificateurs de puissance (P).

Avantages :

1. Gain élevé de I, U, P.
2. Alimentation électrique unique.
3. Il inverse l'alternance U de la sortie par rapport à l'entrée.

Il présente un inconvénient de taille : une plus faible stabilité en température et une moins bonne réponse en fréquence que le raccord à joint torique.

Connexion du collecteur commun (OC)

L'entrée U est entièrement retransmise à l'entrée, et le Ki est similaire à celui de la connexion Oh, mais le U est faible.

Ce type de commutation est utilisé pour s'adapter aux étages à transistors ou avec une source d'entrée ayant un R de sortie élevé (microphone à condensateur ou prise de son). Les avantages sont une valeur R d'entrée élevée et une valeur R de sortie faible. L'inconvénient est la faible amplification de l'U.

Principales caractéristiques des transistors bipolaires

Caractéristiques de base des BT :

1. Je gagne.
2. Entrée et sortie R.
3. Inverse I-ke.
4. Temps d'allumage.
5. Fréquence de transmission Ib.
6. Inverse Ik.
7. Valeur I maximale.

Applications

Les transistors bipolaires sont largement utilisés dans tous les domaines de l'activité humaine. Il est principalement utilisé dans des dispositifs d'amplification, de génération de signaux électriques et comme élément de commutation. Ils sont utilisés dans divers amplificateurs de puissance, dans les alimentations conventionnelles et à découpage avec possibilité de contrôle U et I et dans la technologie informatique.

En outre, ils sont souvent utilisés pour construire divers types de protection des consommateurs contre les surcharges, les pointes de U et les courts-circuits. Ils sont largement utilisés dans les industries minières et métallurgiques.

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