Chapitre 2
Le transistor bipolaire
2.1 Les courants du transistor bipolaire
2.2 Caractéristiques courant-tension et régions
d’opération
2.3 Modèles dynamiques
2.3.1 Modèle grand signal
2.3.2 Modèle petit signal
2.4 Exemple de circuit: montage émetteurcommun
2.4.1 Polarisation
2.4.2 Paramètres dynamiques
2.4.3 Fréquences de coupure
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2.1
Chapitre 2
Le transistor bipolaire

Pourquoi les transistors ?
 A quoi ressemble un amplificateur idéal ?
iout
vin
gvin
vout
RL
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2.2
1
Chapitre 2
Le transistor bipolaire
 On remarque deux caractéristiques importantes:
1. La source de courant est contrôlable par la tension d’entrée;
2. Le courant de sortie, iout, est indépendant de la tension de
sortie, vout, (source de courant idéale).
iout
vin
vout
RL
gvin
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2.3
Chapitre 2
Le transistor bipolaire
 Comment réaliser ce dispositif ?
VCC
R
vin
iout v
out
2
1
RL
 Deux jonctions PN mises bout à bout semblent
répondre à la question.
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2.4
2
Chapitre 2
Le transistor bipolaire
 La diode (1) polarisée à l’avant fixe la valeur de iout
selon la tension vin;
 la diode (2) polarisée à l’inverse permet d’absorber les
variations de vout sans perturber la valeur de iout .
ID
1
2
VD
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2.5
Chapitre 2
Le transistor bipolaire
2.1 Les courants du transistor bipolaire
2.2 Caractéristiques courant-tension et régions
d’opération
2.3 Modèles dynamiques
2.3.1 Modèle grand signal
2.3.2 Modèle petit signal
2.4 Exemple de circuit: montage émetteur-commun
2.4.1 Polarisation
2.4.2 Paramètres dynamiques
2.4.3 Fréquences de coupure
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2.6
3
2.1 Les courants du transistor bipolaire
 Le transistor bipolaire NPN
jonction PN polarisée
avant, contrôle de IC
}
x=w
P
N
N
base
émetteur
+
VBE
jonction PN polarisée en
{inverse,
source de courant I
C
IC
collecteur
+
VCB
 Émetteur (N+) : électrons provenant de l’émetteur sont
injectés dans la base. La jonction base-émetteur est
polarisé à l’avant (courant de diffusion);
 Base (P) : électrons traverse la zone neutre de la base,
quelques-uns se recombinent avec des trous.
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2.7
2.1 Les courants du transistor bipolaire
jonction PN polarisée
avant, contrôle de IC
N
émetteur
+
VBE
}
x=w
P
base
jonction PN polarisée en
{inverse,
source de courant I
N
C
IC
collecteur
+
VCB
 Collecteur (N-) : Électrons qui atteignent la zone
désertée de la jonction base-collecteur sont
immédiatement attirés au collecteur par le champ
électrique de la zone désertée. La jonction basecollecteur est polarisée à l’inverse (courant de dérive).
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2.8
4
2.1 Les courants du transistor bipolaire
 Analogie
Base
Émetteur
Billes (électrons)
Collecteur
Planche avec trous
NB
Rampe
VBE
NC
= NC/NB
en tout temps
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2.9
2.1 Les courants du transistor bipolaire
 Bandes d’énergie du transistor bipolaire
diffusion
flot d’électrons
dérive
qVBE
qVCE
EC
EF
EV
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2.10
5
2.1 Les courants du transistor bipolaire
 La courte longueur de la base permet de modéliser le
gradient de concentration en porteur minoritaire par une
droite.
électrons
N
zone désertée
n(x), p(x) [cm-3]
15
nee
10
10
10
5
10
pee
trous
P
pbe
N
zone
désertée
nce
nb (0)
pce
nbe
pe (x)
nb (w)
pc (x)
0 w
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x
2.11
2.1 Les courants du transistor bipolaire
 Ce gradient produit un courant de diffusion qui devient un
courant de dérive à travers la jonction B-C. On peut
déduire IC à partir de ce gradient :
I C   qAD b
n b ( w)  n b (0 )
w
A : surface latérale du transistor
Db : coefficient de diffusion des électrons dans la base
w : longueur de la zone neutre de la base
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2.12
6
2.1 Les courants du transistor bipolaire
 À x = w, on a nb(w) << nb(0), ce qui permet de considérer nb(w)
comme étant négligeable devant nb(0), et puisque:
n b (0 )  nbe e
qVBE
kT
 On trouve la relation du courant de collecteur:
IC 
qVBE
qADb nbe qVkTBE
e
 I S e kT
w
IS : courant de saturation
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2.13
2.1 Les courants du transistor bipolaire
 Par conservation de la neutralité de la zone neutre de la
base, il faut que les trous perdus par recombinaison
soient remplacés;
 Donc un flux de trous provient de l’extérieur, ce qui
constitue le courant de base:
w
IB 
qA  nb ( x ) dx
0
N

qAwnbe e
2 N
qV BE
kT
N : durée de vie des électrons dans la base avant recombinaison.
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2.14
7
2.1 Les courants du transistor bipolaire
 De l’expression de IB et IC , on tire l’égalité suivante:
IC 
2Db N

IB  N IB
2
T
w
T : le temps de transit des électrons à travers la zone neutre de la base.
 Ce qui définit le paramètre le plus important du transistor
bipolaire, le gain en courant,  :
 


N
T

IC
IB
 Un gain élevé est obtenu lorsque le temps de transit,T,
est court devant la durée de vie, N.
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2.15
Chapitre 2
Le transistor bipolaire
2.1 Les courants du transistor bipolaire
2.2 Caractéristiques courant-tension et régions
d’opération
2.3 Modèles dynamiques
2.3.1 Modèle grand signal
2.3.2 Modèle petit signal
2.4 Exemple de circuit: montage émetteur-commun
2.4.1 Polarisation
2.4.2 Paramètres dynamiques
2.4.3 Fréquences de coupure
ELE8300 Électronique analogique © 2017 Yves Audet
2.16
8
2.2 Caractéristiques courant-tension et
régions d’opération
 Modèle statique

La diode entre l’émetteur et la base fixe le courant de
collecteur IC(VBE) ,

Une source de courant idéale entre le collecteur et
l’émetteur absorbe les variation de VCE sans changer IC.
collecteur (C)
+
IC (VBE )
base (B)
+
VBE
VCE
C
B
E
émetteur (E)
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2.17
2.2 Caractéristiques courant-tension et
régions d’opération
 Graphiques des caractéristiques IC vs VBE et IC vs VCE:
IC
IC
V BE3
V BE2
V BE1
V CE =V CB +V BE
V BE3
V BE2
VBE1
V BE
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2.18
9
2.2 Caractéristiques courant-tension et
régions d’opération
 Régions d’opération
IC
saturation
VBE5
VBE4
active
VBE3
V BE2
VCEsat
coupure
VCE
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2.19
2.2 Caractéristiques courant-tension et
régions d’opération
 Régions d’opération:



active: application pour l’électronique linéaire;
coupure: VBE est trop petit, l’injection d’électrons
dans la base est trop faible, ils n’atteignent pas le
collecteur, IC = 0;
saturation: VCE < VCEsat, le champ électrique de la
jonction B-C n’est plus assez fort pour attirer les
électrons vers le collecteur, il y a accumulation
d’électrons dans la zone neutre de la base. Les
variations de VBE n’ont aucun effet.
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2.20
10
Chapitre 2
Le transistor bipolaire
2.1 Les courants du transistor bipolaire
2.2 Caractéristiques courant-tension et régions
d’opération
2.3 Modèles dynamiques
2.3.1 Modèle grand signal
2.3.2 Modèle petit signal
2.4 Exemple de circuit: montage émetteurcommun
2.4.1 Polarisation
2.4.2 Paramètres dynamiques
2.4.3 Fréquences de coupure
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2.21
2.3 Modèles dynamiques
2.3.1 Modèle grand signal
 Le modèle grand signal est valable pour tous signaux:
continu et alternatif, et pour les trois régions d’opération.
C
rC
CdC
B
CsC
N
DC
rB
IC (VDE)
CdE
CsE
P
DE
rE
N
E
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2.22
11
2.3 Modèles dynamiques
2.3.2 Modèle petit signal
 Le modèle petit signal est une simplification du modèle
grand signal pour un transistor qui opère dans la région
active seulement.
B
rB
rC
C
+
v
C
r
C
ro
gm v
rE
E
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2.23
2.3 Modèles dynamiques
2.3.2 Modèle petit signal
 la capacité de jonction base émetteur (polarisée à l’avant):
C = CdE +CsE
 la capacité de jonction base collecteur (polarisée en inverse):
C = CdC , CsC = 0; pas de courant de diffusion
 r est la résistance base émetteur évaluée au point d’opération de la
jonction (IB1, VBE1) :
 dI
r   B
 dVBE



1

I B 1 ,VBE 1
VT
I C1
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2.24
12
2.3 Modèles dynamiques
2.3.2 Modèle petit signal
 rB, rE et rC sont les résistances des zones neutres de la
base, de l ’émetteur et du collecteur.
 Le gain de transconductance, gm, lie la variation de la
tension petit signal appliquée à la jonction base émetteur,
v, à la variation du courant de collecteur au point
d’opération (IC1, VBE1) :
gm 
dIC
dVBE

IC1 ,VBE1
IC1
VT
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2.25
2.3 Modèles dynamiques
2.3.2 Modèle petit signal
 La résistance de sortie :

Contrairement à la caractéristique IC vs VCE idéale, il
existe en réalité une pente affectant la famille de courbe
dans la région active;

Toutes les droites convergent approximativement vers un
point, VA, appelé tension d’Early.
I C1
1

ro
V A  V CE 1
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2.26
13
2.3 Modèles dynamiques
2.3.2 Modèle petit signal
 L’effet Early sur la caractéristique IC vs VCE.
14
12
IC (mA)
10
IC (mA)
12
région
8
active
4
8
0
0
6
5 VCE (V) 10
15
IC1
4
VA
2
0
-80
-60
-40
VCE (V)
-20
0 VCE1
20
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2.27
2.3 Modèles dynamiques
2.3.2 Modèle petit signal
 Le modèle petit signal est complet de point de vue
conceptuel, mais peu pratique du point de vue expérimental
puisqu’il est impossible d’avoir accès à tous les nœuds.
 Le modèle quadripolaire en h est le plus utilisé parce qu’il
permet de mesurer tous les paramètres à partir des trois
broches B,E et C.
C
ib
B
C
C
hfe ib
hie
1/hoe
E
E
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2.28
14
2.3 Modèles dynamiques
2.3.2 Modèle petit signal
 Description du modèle quadripolaire en h.
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2.29
Chapitre 3
Le transistor bipolaire
2.1 Les courants du transistor bipolaire
2.2 Caractéristiques courant-tension et régions
d’opération
2.3 Modèles dynamiques
2.3.1 Modèle grand signal
2.3.2 Modèle petit signal
2.4 Exemple de circuit: montage émetteurcommun
2.4.1 Polarisation
2.4.2 Paramètres dynamiques
2.4.3 Fréquences de coupure
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2.30
15
2.4 Exemple de circuit: émetteur commun
2.4.1 Polarisation
 Calcul de point d’opération CC.
VCC = 15V
RC
RB1
4 K
2 K
vo
vi
Co 0.1µF
RL
Ci 0.1µF
RE
RB2
5 K
VA = -80V
4 K
1 K
 = 100
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2.31
2.4 Exemple de circuit: émetteur commun
2.4.1 Polarisation
 Calcul de courant de base à l’aide du théorème de Thévenin:
VCC = 15V
IC
IB
VTH
5V
RC
4 K
RTH
666 
V=0
IE
RE
4 K
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2.32
16
Chapitre 2
Le transistor bipolaire
2.1 Les courants du transistor bipolaire
2.2 Caractéristiques courant-tension et régions
d’opération
2.3 Modèles dynamiques
2.3.1 Modèle grand signal
2.3.2 Modèle petit signal
2.4 Exemple de circuit: montage émetteurcommun
2.4.1 Polarisation
2.4.2 Paramètres dynamiques
2.4.3 Fréquences de coupure
ELE8300 Électronique analogique © 2017 Yves Audet
2.33
2.4 Exemple de circuit: émetteur commun
2.4.2 Paramètres dynamiques
 Substitution du transistor par son modèle petit signal:
Zin
transistor
Zout
vi
vo
hfe ib
RB1||RB2
hie
1/hoe
RC
RL
RE
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2.34
17
2.4 Exemple de circuit: émetteur commun
2.4.2 Paramètres dynamiques
 Calcul de l’impédance d’entrée, Zin :
i
ZinTR
ib
vo
hfe ib
v
hie
RB=
1/hoe
RC
RL
RB1||RB2
RE
V=0
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2.35
2.4 Exemple de circuit: émetteur commun
2.4.2 Paramètres dynamiques
 Calcul de l’impédance de sortie, Zout :
ZoutTR
hfe ib
ib
RB
hie
RE
ic
ic
RC
1/hoe
v
V=0
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2.36
18
2.4 Exemple de circuit: émetteur commun
2.4.2 Paramètres dynamiques
 Calcul du gain en tension, AV :
ib
ic
vo
hfe ib
vi
RB=
RB1||RB2
V=0
hie
1/hoe
RC
RL
RE
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2.37
Chapitre 2
Le transistor bipolaire
2.1 Les courants du transistor bipolaire
2.2 Caractéristiques courant-tension et régions
d’opération
2.3 Modèles dynamiques
2.3.1 Modèle grand signal
2.3.2 Modèle petit signal
2.4 Exemple de circuit: montage émetteurcommun
2.4.1 Polarisation
2.4.2 Paramètres dynamiques
2.4.3 Fréquences de coupure
ELE8300 Électronique analogique © 2017 Yves Audet
2.38
19
2.4 Exemple de circuit: émetteur commun
2.4.2 Fréquence de coupure
 Circuit équivalent de l’amplificateur avec ses capacités:
vi
Ci
Zin
ZinTR
Cµ
Zout
Co
vo
hfe ib
C
hie
RB = RB1||RB2
1/hoe
RL
RC
RE
Ci = Co= 0.1µF
Cµ << C= 200pF
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2.39
2.4 Exemple de circuit: émetteur commun
2.4.2 Fréquence de coupure
 La réponse en fréquence de l’amplificateur :
0
AV (dB)
bande passante
fCBi
-20
100
100
1K
fCH
10K
100K
1M
10M
Fréquence (Hz)
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2.40
20
EXERCICES:
2.0) Un transistor bipolaire PNP a les caractéristiques suivantes:
= 20, VA = 40 V, VCEsat = - 0.3 V.
a) Tracez sa caractéristique IC vs VCE.
b) Dessinez son modèle petit signal en indiquant le sens
relatif des courants ie, ib et ic.
2.1) Pour chacun des circuits suivants, polarisez le transistor de
façon à obtenir IC = 5 mA et |VCE| = 5V.
Considérez = 5 et |VBE| = 0.7 V.
a)
b)
Vcc = 10V
Vcc = 10V
RB
IC
RE
RB
RE
RC
IC
21
2.2) Pour chacun des circuits suivants: considérez le transistor
comme étant polarisé dans la région active et exprimez Zin, Zout et
Av en fonction des résistances et des paramètres hie, hfe et hoe du
transistor.
a) Montage collecteur commun;
VCC
RB
RC
Zout
vi
vo
Zin
RE
2.2 b) Montage base commune.
Zin
Zout
vo
vi
RE
VEE
RC
RL
VCC
22