Transistor bipolaire : fonctionnement, différences et applications

Le transistor bipolaire est un dispositif à semi-conducteurs utilisé pour amplifier les signaux électriques et contrôler le courant dans les circuits électroniques. Grâce à lui, un petit courant de commande peut piloter un courant beaucoup plus important traversant la charge.

Ces transistors sont employés dans les amplificateurs, les commutateurs, les générateurs de signaux et de nombreux autres dispositifs électroniques. Découvrons comment est conçu un transistor bipolaire, son principe de fonctionnement et ses différences avec un MOSFET.

Qu'est-ce qu'un transistor bipolaire et comment fonctionne-t-il ?

Le transistor bipolaire, ou BJT (Bipolar Junction Transistor), est composé de trois régions semi-conductrices alternant les types de conductivité. Sa particularité réside dans le fait que deux types de porteurs de charge - électrons et trous - participent à la conduction électrique, d'où le nom " bipolaire ".

Un transistor bipolaire possède trois broches :

• Émetteur (E) - injecte les porteurs de charge dans la base.
• Base (B) - région de commande fine qui régule le fonctionnement du transistor.
• Collecteur (C) - collecte les porteurs de charge ayant traversé la base.

Avec une connexion adéquate, un faible courant de base permet de contrôler un courant beaucoup plus élevé circulant entre le collecteur et l'émetteur.

Différence entre NPN et PNP

On distingue deux principaux types de transistors bipolaires, selon la disposition des régions semi-conductrices et la polarité des tensions de commande :

• NPN : Structure N-P-N. En montage classique, il s'ouvre lorsque la tension de base dépasse celle de l'émetteur d'environ 0,6-0,7 V (pour un transistor au silicium).
• PNP : Structure P-N-P. Pour s'ouvrir, la tension de base doit être inférieure à celle de l'émetteur d'environ la même valeur.

Les deux types remplissent les mêmes fonctions de base, mais nécessitent des polarités de connexion différentes. Les NPN sont souvent utilisés pour la commutation côté masse, alors que les PNP servent côté alimentation positive.

Principe de fonctionnement du transistor bipolaire

Le fonctionnement du transistor bipolaire repose sur le contrôle du courant de collecteur par un faible courant de base. Lorsque la tension entre la base et l'émetteur est suffisante, le transistor laisse passer le courant.

Exemple avec un transistor NPN :

• Sans courant de base, le transistor reste quasiment bloqué, le courant entre collecteur et émetteur est minimal.
• En appliquant un courant à la base, le transistor commence à conduire, permettant à un courant bien plus important de circuler par le collecteur.
• En augmentant le courant de base, le courant de collecteur augmente jusqu'à atteindre les limites fixées par l'alimentation et la charge.

En régime actif, le courant de collecteur est à peu près proportionnel au courant de base. Ce comportement permet d'amplifier les signaux électriques faibles.

Le coefficient de gain en courant

La capacité d'un transistor à amplifier le courant est caractérisée par le coefficient β (bêta), aussi noté h_FE.

La formule est la suivante :

β = I_C/I_B

Où :

• I_C - courant de collecteur
• I_B - courant de base

Par exemple, si β = 100 et que le courant de base est de 0,1 mA, alors en régime actif, le courant de collecteur sera d'environ 10 mA.

Notez que la valeur de β n'est pas constante : elle dépend du transistor, de la température et des conditions d'utilisation. En saturation, cette relation ne permet plus de déterminer précisément le courant de collecteur.

Les modes de fonctionnement du transistor bipolaire

Un transistor bipolaire peut fonctionner selon plusieurs modes, en fonction des tensions appliquées et du courant de commande :

• Mode coupure : le transistor est presque totalement bloqué, le courant de collecteur est très faible. Utilisé pour éteindre une charge.
• Mode actif : le courant de collecteur est contrôlé par le courant de base. Sert à amplifier les signaux analogiques.
• Mode saturation : le transistor est pleinement ouvert en tant qu'interrupteur électronique, le courant de collecteur est principalement limité par le circuit externe. La tension collecteur-émetteur est alors faible.

Par exemple, pour piloter une LED avec un transistor NPN, fournir suffisamment de courant à la base le fait passer en saturation et la LED s'allume. Lorsque le courant de base s'interrompt, le transistor retourne en mode coupure et la LED s'éteint.

On utilise généralement une résistance pour limiter le courant de base, et le courant de la LED doit être limité par une résistance dédiée ou un circuit d'alimentation adapté.

Quelles différences entre le transistor bipolaire et le MOSFET ?

La principale différence entre le transistor bipolaire et le MOSFET réside dans leur mode de commande. Le BJT est piloté par le courant de base, tandis que le MOSFET est commandé par la tension entre la grille et la source.

Le transistor bipolaire a besoin d'un courant de base continu pour rester conducteur. À l'inverse, la grille du MOSFET est isolée du canal conducteur, donc un courant de commande quasi nul est nécessaire en régime permanent, même si lors des commutations il faut charger/décharger la capacité de grille.

Pour en savoir plus sur la structure et les particularités des transistors à effet de champ, consultez l'article : Comment fonctionnent les MOSFET : explication simple, structure et applications.

Tableau comparatif : transistor bipolaire vs MOSFET

Le transistor bipolaire est souvent choisi pour l'amplification de signaux analogiques et des circuits de commande simples pour petites charges.

Le MOSFET, quant à lui, est généralement préféré pour une commutation efficace de courants élevés, en particulier dans les alimentations à découpage. Le choix dépendra toujours des caractéristiques du composant, de la tension, de la fréquence de commutation et des exigences du circuit.

Où utilise-t-on les transistors bipolaires ?

Les transistors bipolaires sont utilisés en électronique analogique et numérique lorsqu'il faut amplifier des signaux ou commander une charge électrique. Leurs principaux domaines d'application :

• Amplificateurs audio et de signaux : pour amplifier de faibles signaux d'entrée, par exemple venant d'un microphone ou d'un capteur.
• Interrupteurs électroniques : pour piloter des LED, relais ou autres charges via un signal de commande.
• Générateurs d'oscillations : participent à la création de signaux périodiques dans les circuits oscillateurs.
• Circuits de traitement du signal : utilisés dans les miroirs de courant, étages différentiels et d'autres blocs analogiques.

Bien que les MOSFET soient aujourd'hui très répandus, les transistors bipolaires restent populaires grâce à leur accessibilité, à la variété des modèles et à leurs bonnes performances en amplification.

Conclusion

Le transistor bipolaire permet de contrôler un courant important à l'aide d'un faible courant de base. Son fonctionnement dépend de l'interaction entre les trois régions : émetteur, base et collecteur. Selon le mode choisi, il peut amplifier un signal électrique ou agir comme interrupteur électronique.

Pour l'amplification de signaux analogiques faibles ou les circuits de commande simples, le BJT est souvent une solution pratique. Pour une commutation efficace de courants élevés avec des pertes minimales, il convient d'envisager le MOSFET, en comparant bien les caractéristiques des différents composants.