Fonctionnement d'un transistor et d'un thyristor

Comment fonctionne un transistor

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La première page qui concerne le fonctionnement des diodes se trouve ici.

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Fonctionnement d'un transistor

Fig. 3
Le transistor est composé de trois couches NPN ou PNP, appellées émetteur, base et collecteur. Dans le cas d'un transistor NPN, le courant d'électrons peut passer de l'émetteur à la base et du collecteur à la base. Le transistor fonctionne ici comme deux diodes, c'est d'ailleurs comme cà qu'on teste rapidement si un transistor est encore bon: sauf les deux cas précités, il n'y a pas de courant qui peut circuler dans le transistor (mesure à l'ohmmètre en position "diode").

Fig. 4
Le transistor commande un courant entre l'émetteur et le collecteur, mais celui-ci ne peut pas passer, car il est bloqué par la seconde jonction entre base et collecteur.

Fig. 5
Par contre, le courant peut passer de l'émetteur à la base (diode conductrice). Mais la base est si fine que les électrons continuent leur route jusqu'au collecteur. Moins d'un pourcent des électrons sont absorbés par la base. Un faible courant entre émetteur et base produit ainsi un courant plus important entre émetteur et collecteur (si le collecteur est polarisé correctement). En plus de la base qui doit être très fine pour permettre à la majorité des électrons de passer de la base au collecteur, la base est moins dopée, ce qui fait que les électrons ont moins tendance à se recombiner avec les "trous" (les atomes avec un électron en moins).

Le courant dans le collecteur est proportionnel au courant dans la base. Selon le type de transistor, ce courant est environ 100× plus important que le courant dans la base. L'influence de la tension au collecteur est limitée. Les transistors de puissance qui ont généralement une base plus épaisse ont également un gain moins important: proportionellement plus d'électrons sont absorbés par la base.

Le fonctionnement d'un transistor NPN et PNP sont équivalents en pratique, il faut simplement tenir compte des polarités qui sont inversées:

NPN
Négatif à l'émetteur
Léger courant de controle positif sur la base
La charge est connectée entre le collecteur et le pole positif
PNP
Positif à l'émetteur
Léger courant de controle négatif sur la base
La charge est connectée entre le collecteur et le pole négatif

Les classe de fonctionnement d'un transistor utilisé comme amplificateur sont décrites ici.

C'est la base fine qui fait le transistor. Il n'est pas possible de fabriquer un transistor en utilisant deux diodes.

Thyristor

Un thyristor a une couche supplémentaire. Ici aussi, si on voudrait construire un thyristor à partir de diodes, le résultat ne fonctionnerait pas. C'est parce que la couche supplémentaire est si fine qu'elle produit une interaction entre les couches qui l'entourent.

En pratique, le thyristor se comporte comme un transistor double. Les connections sont notées cathode (à la place de l'émetteur), gate (à la place de la base) et anode (à la place du collecteur). On utilise parfois le terme de gachette en français. Le thyristor commande un courant entre cathode et anode, tandis que la tension de commande est appliquée à la gachette.

Nous appliquons une tension positive à la gachette, ce qui met le transistor inférieur en conduction (type NPN). Mais le courant du transistor inférieur passe par la base du transistor supérieur, ce qui le met également en conduction. Le transistor supérieur en conduction augmente également la conduction du transistor inférieur. Le thyristor restera en conduction, même si on coupe la tension positive sur la gachette.

La conduction du thyristor ne peut être interrompue qu'en réduisant le courant d'anode à une valeur très basse. On peut le faire en court-circuitant le thyristor en conduction par un transistor supplémentaire (ou un autre thyristor). Si le thyristor fonctionne avec une alimentation alternative, il ne peut conduire que si le potentiel d'anode est positif. Il devient automatiquement non-conducteur si l'anode devient négative.

Le thyristor est également appelé SCR ou (moins souvent) SCS (Silicon Controlled Rectifier et Silicon Controlled Switch). Le thyristor classique est un SCR. Un SCS peut être mis hors conduction par une impulsion négative sur la gachette. Cela ne fonctionne pas avec un SCR.

Un thyristor peut être construit à partir de deux transistors indépendants, mais il faut prévoir des résistances de protection pour limiter le courant de base à une valeur correcte. Dans notre exemple, tout le courant anodique passe par la base du transistor supérieur, qui n'est normalement pas conçu pour un tel courant. Un thyristor construit à partir de deux transistors a les caractéristiques d'un SCS.

Branchement inversé

Si le transistor est fabriqué de couches NPN ou PNP correspondant à l'émetteur, à la base et au collecteur, est-ce qu'il fonctionne également dans l'autre sens (donc l'émetteur à la place du collecteur)?

Le transistor va effectivement fonctionner, mais pas de la façon la plus efficace possible. Comme la chute de tension la plus importante se fait à la jonction base-collecteur, celle-ci est beaucoup plus grande que la jonction émetteur-base (c'est surtout le cas pour les transistors de puissance). Le transistor fonctionnera, mais son amplification sera moindre, la tension maximale sera moins élevée et la dissipation admissible sera fortement réduite.

L'exemple à droite montre la découpe d'un transistor de puissance. Il s'agit d'une coupe: l'émetteur est un îlot qui "flotte" sur la base qui à son tour flotte sur le collecteur. Cette construction permet une évacuation de la puissance, mais le point négatif c'est la capacité très élevée entre base et collecteur. Ces transistors ne peuvent pas être utilisés pour des fréquences élevées. La jonction base-collecteur où la puissance est dissipée est indiquée en tiret rouge.

Les transistors à effet de champ peuvent également fonctionner dans les deux sens, mais ici aussi il y a un sens préférentiel. Le sens préférentiel joue moins pour les petites puissances où le transistor se comporte comme une vraie résistance variable.

La suite: les transistors à effet de champ.

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