Electronique > Théorie > Transistor
Dernière mise à jour : 30/09/2012
Présentation
Le terme Transistor est l'acronyme de Transfert Resistor. Les premiers transistors ont vu le jour en 1948. Le transistor est un composant qui fait partie de la famille des semi-conducteurs (comme la diode) et qui est considéré comme le successeur du tube électronique (communément appelé lampe). Il existe plusieurs types de transistors, chacun voué à une tâche qui se résume souvent à deux fonctions : la commutation (fonctionnement dit en tout ou rien) ou l'amplification (fonctionnement dit linéaire). Par exemple, on peut utiliser un transistor pour commander une ampoule de puissance à partir d'un circuit intégré, qui lui-même n'aurait pas été capable de commander diretement l'ampoule (à cause de valeurs de courant ou de tension non compatibles). On peut dire dans ce cas que le transistor joue le rôle d'interface. L'autre fonction très répandue du transistor est l'amplification en tension, en courant ou en puissance. En amplifiant une tension, le transistor peut être utilisé pour amplifier des signaux de faibles niveaux, dans des préamplificateurs pour microphone ou pour guitare, ou encore dans des amplificateurs d'antenne (radio, TV, CB, etc) pour qu'à partir d'un tout petit signal électromagnétique se baladant dans les airs, vous entendiez votre chanson favorite dans le haut-parleur de votre poste de radio (imaginez l'amplification et les traitements nécessaires) ! En amplifiant simultanément la tension et le courant, on arrive au principe de base de l'étage final des amplificateurs audio (exception faite des amplis en classe D qui fonctionnent en numérique). Les anciens transistors étaient au germanium, les transistors actuels sont au silicium.
Quelques transistors anciens au germanium
Si vous voulez voir d'autres photos de quelques transistors encore plus anciens, allez donc visiter cette page.
Notation (appellation) du composant
La notation par lettres et chiffres du composant repose sur une normalisation dont quelques détails sont donnés à la page Notation des composants.Types
Il existe différents types de transistors : bipolaires, unipolaires (FET, JFET, JUGFET, IGFET), unijonction (UJT, anciennement appelé transistor filamentaire). Tous ont des caractéristiques qui leur sont propres, et sont capables de travailler sur des plages de puissances très variées (de quelques milli-watts à plusieurs centaines de watts), et sur des plages de fréquences elles aussi très variées (de quelques hertz à plusieurs giga-hertz), selon le modèle.
La caractéristique principale d'un transistor est de permettre la variation (on dit aussi modulation) d'un courant entre deux électrodes, quand une tension ou courant est appliqué sur une ou plusieurs autres électrodes. Les transistors ont remplacé les tubes électroniques, sauf dans certaines applications où le tube n'a pas encore trouvé de remplaçant (notamment à cause des limitations en puissance et en fréquence du transistor). Lorsque l'on conçoit un montage électronique, on se doit de choisir le transistor qui convient le mieux à l'application envisagée, en s'aidant des caractéristiques fournies par les constructeurs dans leurs documents techniques appelés datasheet. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'opter pour un transistor capable de commuter des courants de 4A pour allumer une LED qui ne consomme que 20 mA. Même chose pour un amplificateur travaillant dans la bande de diffusion TV (UHF), on doit choisir des composants qui peuvent "suivre" (qui sont capables d'amplifier suffisament à des fréquences élevées).
Transistor bipolaire "classique"
Il s'agit très certainement du type de transistor le plus employé, aussi bien dans le domaine des basses fréquences que des hautes fréquences, des faibles puissances que des hautes puissances. On l'appelle d'ailleurs tout simplement "Transistor". Il en existe des dizaines de milliers de références, de type NPN ou PNP, mais il est tout de même possible de les classer par ordre de puissance, de fréquence, de gain. Ce qui avouons-le, permet de choisir plus facilement un remplaçant le jour où on ne trouve plus l'original... Un transistor bipolaire possède trois électrodes nommées E (émetteur), C (collecteur) et B (base), voir paragraphe "Brochage des transistors" un peu plus loin. Comme dit auparavant, le transistor est principalement utilisé en amplification, ce qui le rend "pratique" pour la réalisation d'amplificateurs (BF ou RF) ou comme interface de puissance. Le transistor bipolaire peut être utilisé en base commune, en émetteur commun ou en collecteur commun, mais c'est en montage émetteur commun qu'on le retrouve le plus souvent (l'émetteur est commun à l'entrée et à la sortie, voir page Utilisation du transistor).Exemples : 2N2222, 2N2907, BC107, BC557, etc...
Transistor à effet de champ (FET)
FET = Field Effect Transistor, Transistor à effet de champTEC = Transistor à Effet de Champ
Le transistor à effet de champ est un transistor unipolaire et est particulièrement employé quand il est nécessaire d'avoir une très haute impédance d'entrée. Contrairement à l'impédance d'entrée d'un transistor bipolaire, qui varie selon son mode de branchement mais qui reste tout de même assez faible dans tous les cas, le FET présente une résistance d'entrée de plusieurs MOhms à plusieurs centaines de MOhms. Cette caractéristique principale le destine tout particulièrement aux étages d'entrée BF ou au étages d'entrée d'appareils de mesure (voltmètre ou fréquencemètre par exemple), où son influence sur le signal "prélevé" pourra être insignifiante. Le transistor FET peut également être utilisé en résistance variable : usage dans des VCA ou dans des régulateurs de niveau (compresseur ou limiteur de modulation pour ne citer qu'eux). Un transistor FET possède trois électrodes nommées D (drain), S (source) et G (gate ou porte).
Exemples : 2N3819, 2N5457, J101, BF245, etc
Transistors MOSFET
Il existe des transistors MOSFET de petite puissance et de forte puissance. Ceux de forte puissance sont capables de supporter des courants de plusieurs ampères à plusieurs centaines d'ampères, ce qui bien entendu impose une résistance ohmique à l'état passant (RdsOn) très faible. On ne peut en effet envisager d'utiliser un transistor dont la résistance est de 1 ohm pour faire passer 50 ampères. C'est pourquoi il n'est pas rare de trouver des transistors de cette catégorie qui affichent une résistance passante de quelques milli-ohms ou quelques dizaines de milli-ohms. Globalement, et par comparaison aux transistors bipolaires, on arrive à commuter des puissances importantes avec moins de pertes et moins d'échauffement. Ce type de transistor est souvent préféré pour la commande de charges importantes ou pour limiter la taille - ou même supprimer complètement - les encombrants dissipateurs thermiques.Exemples en faible puissance : BS170.
Exemples en forte puissance : BUZ10, BUZ20, IRF540, IRF840 (8 A / 0,85 ohm), IRFZ44 (49 A / 0,022 ohms), IRF3205 (110 A / 0,008 ohms).
Transistors haute tension
La majorité des transistors classiques (courants) acceptent de travailler sans dommage avec des tensions de quelques dizaines de volts. Quand on veut travailler avec des tensions supérieures à 80 V, il faut commencer à regarder de près le type de transistor qui convient le mieux à l'application envisagée. Pour des tensions de plusieurs centaines de volts, il faut employer des transistors vraiment faits pour.Exemples : BU508 (bipolaire classique de la déviation horizontale dans les téléviseurs cathodiques), IRGS14 (transistor IGBT / 400 V).
Transistors IGBT
IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor = Transistor bipolaire à grille isoléeUn transistor IGBT est un transistor de forte puissance, on ne le choisit pas pour allumer une LED ou commander un petit relais. Côté "conduction" il se comporte comme un transistor bipolaire classique avec deux jonctions B (base) et E (émetteur), et côté "commande" il se comporte comme un transistor à effet de champ (MOSFET pour être plus précis), avec une grille de commande (G, Gate). Comme ce composants est structuré sur deux principes différents, il est considéré comme hybride. Comme la commande se fait sur grille, le courant de commande est négligeable (sauf au moment de la transistion elle même car la capacité parasite d'une telle grille n'est pas nulle) et la commande se fait donc en tension. La tension max entre collecteur et émetteur peut atteindre plusieurs milliers de volts, le courant max peut atteindre plusieurs centaines d'ampères (selon modèle bien sûr) et la fréquence de commutation peut grimper à quelques kHz. La tension de saturation (Vcesat) dépend beaucoup des modèles, comme c'est le cas aussi avec les transistors MOSFET. Elle peut être inférieure à 2 V comme elle peut être supérieure à 5 V, et dépend toujours de la valeur du courant collecteur (comme pour les autres types de transistors). Du fait de ces caractéristiques particulières, un transistor IGBT se prête à un usage direct sur le secteur 230 V ou plus, et peuvent être utilisés par exemple dans des onduleurs ou des hacheurs. Le transistor IGBT est plus souvent utilisé en tout ou rien (commutation) mais on peut aussi l'utiliser dans le domaine de l'amplification linéaire en basse fréquence.
Exemple : GT40WR21 (1800 V / 40 A / 375 W).
Transistors RF
Il s'agit de transistors spécialement conçus pour des applications "rapides". Les capacités parasites entre les jonctions d'un transistor limitent la fréquence de fonctionnement d'un transistor, et si ces capacités parasites sont élevées, le transistor ne peut pas fonctionner rapidement. On ne se pose pas trop la question quand on veut utiliser un transistor en commutation lente, par exemple pour piloter un relais. Mais quand on veut qu'il suive la cadence, il faut bien regarder tout ça de près. Notez que même pour une commutation lente, la vitesse de passage de l'état bloqué à l'état passant est importante, surtout si les courants à commuter sont importants. Plus le transistor commute vite, et moins on perd de puissance. A partir de quelle fréquence peut-on dire qu'un transistor est rapide ? Comme toujours, tout est relatif. Un "bête" 2N2222 est capable de "monter" à 250 MHz, on peut donc l'employer dans le domaine de l'émission radio en FM (bien sûr avec une puissance somme toute modérée). La série des transistors BCxxx est parfaite pour travailler dans le domaine BF, et ces transistors ne s'arrêtent pas à 50 KHz... Aujourd'hui, on peut peut-être dire qu'un transistor dont la fréquence de travail peut grimper à 2 GHz (BFR91 ou BFR96 par exemple, tout deux très répandus et bon marché) est un transistor rapide; demain, il fera peut-être partie de la famille des "lents".Transistor Unijonction (UJT et PUT)
UJT = UniJonction Transistor, Transistor unijonctionPUT = Programmable Unijonction Transistor, Transistor unijonction programmable
Appelé aussi "Diode à double base", le transistor unijonction est un transistor bipolaire un peu particulier, qui possède trois connexions mais une seule jonction (d'où son nom). Ses trois électrodes sont nomées E (émetteur), B1 (base 1) et B2 (base 2). L'UJT est principalement utilisé pour la réalisation d'oscillateurs (à relaxation, pour être précis) car il possède la particularité d'offrir une résistance négative dans une partie de sa courbe de caractéristiques. Un transistor unijonction peut être assimilé à une diode associée à un diviseur de tension.
Exemples : 2N2646, ...
Utilisations classique du transistor bipolaire
Un transistor bipolaire peut se voire confier plusieurs tâches, les plus courantes étant l'amplification et la commutation. Mais il trouve aussi sa place pour adapter une impédance, pour inverser un état logique, ou encore pour constituer un oscillateur. Quelques exemples sont donnés à la page Transistors - Bases.Types de boîtiers
Il existe là aussi un grand nombre de boîtiers, plastiques ou métalliques pour la majorité. La taille et la forme diffèrent souvent en fonction de l'application principale pour laquelle le transistor a été conçu. Par exemple, un transistor de très forte puissance, qui peut chauffer beaucoup lors de son fonctionnement, est généralement plat, ce qui permet de le fixer aisément sur une surface de refroidissement (radiateur). Certains transistors fonctionnant à des fréquences très élevées ont quant à eux des pattes disposées à l'horizontale pour faciliter un montage sur circuit imprimé avec des distances de raccord les plus courtes possibles.Brochage des transistors
La majorité des transistors - qu'ils soient bipolaires ou à effet de champs - possèdent trois pattes, avec parfois une quatrième patte raccordée au boîtier (ce dernier étant alors métallique). La correspondance entre schéma électronique et brochage physique n'est pas toujours la même selon le type de transistor employé. Prenons l'exemple du transistor très répandu portant la référence 2N2222 et qui est un transistor NPN présenté dans un boîtier métallique. On trouve pour ce dernier un équivalent appelé PN2222 qui est en boîtier plastique TO92. Pour connaître le brochage de ce dernier il convient de se référer aux indications fournies par le fabricant dans ses documents techniques (datasheet).
Un transistor de type BC237, également NPN et également en boîtier plastique TO92, présente un brochage inversé par rapport à celui du PN2222 (les connexions E et C sont interverties). Trois pattes suffisent pour disposer d'un nombre suffisant de configurations de câblage dangereuses et brancher un transistor de façon incorrecte et le griller. Il faut donc bien faire attention et toujours vérifier leur câblage avant mise sous tension. Pour faciliter la chose, certains boîtiers intègrent deux transistors, portant le nombre de pattes à 5 (deux transistors avec une broche commune) ou 6 (2 transistors complètement séparés). Mais cela n'est finalement pas plus compliqué, dans tous les cas il faut se référer au document constructeur correspondant à la marque et au modèle de composant que vous avez sous les yeux.
Il existe plusieurs types de brochages, et un composant de même référence peut même parfois exister avec différents brochages (ce genre de cas n'est heureusement pas majoritaire) ! Vous devez donc impérativement vous renseigner pour savoir comment se branche tel ou tel transistor, l'information est donnée dans la feuille de caractéristiques (datasheet) fournie par le fabricant. Vous trouverez quelques exemples de brochages à la page Transistors - Brochages. Notons que certains transistors peuvent fonctionner de façon quasiment identique en intervertissant deux électrodes entre elles (échange Emetteur et Collecteur pour les transistors bipolaires, ou Source et Drain pour les transistors FET). Ces transistors recoivent la désignation de transistors bidirectionnels.
Liens utiles
http://www.kpsec.freeuk.com/components/tran.htmhttp://www.101science.com/transistor.htm
http://www.tanker.se/lidstrom/trans.htm
http://etronics.free.fr/dossiers/init/init09.htm
http://etronics.free.fr/dossiers/init/init10.htm