Principes de base des transistors : NPN et PNP avec 2N3904, 2N3906, 2N2222 et 2N2907

Par John LeDuc

Avec la contribution de Digi-Key Electronics

Étonnamment, le premier transistor opérationnel a été annoncé il y a 70 ans, le 23 décembre 1947 !1 Le transistor est probablement l'un des composants les plus révolutionnaires jamais inventés. Il a ouvert la voie à la création de circuits intégrés, de microprocesseurs et de mémoire d'ordinateur.

Dans cet article, nous allons aborder les domaines suivants :

(cliquez sur le lien correspondant à la section qui vous intéresse)

Qu'est-ce qu'un transistor ?

Le transistor, également connu sous le nom de transistor bipolaire à jonctions (BJT), est un dispositif à semi-conducteurs alimenté en courant. Il peut servir à réguler le flux de courant électrique dans lequel une petite quantité de courant dans la base contrôle un courant plus important entre le collecteur et l'émetteur. Il est possible d'utiliser les transistors pour amplifier un signal faible, comme un oscillateur ou comme un commutateur.

Ils sont généralement faits de quartz de silicium où les couches semi-conductrices de type N et P sont superposées. Voir la Figure 1 ci-après.

Image de la découpe 2N3904 TO-92 et des couches de types N et P

Figure 1 : La figure 1a illustre la découpe d'un transistor 2N3904 TO-92 montrant les bornes E (émetteur), B (base) et C (collecteur) reliées au silicium. La Figure 1b est tirée du numéro de mai 1958 du magazine Radio-Electronics2 illustrant les couches et les agencements de couches de types N et P (référencés en tant que matériaux germanium à cette époque).

Les transistors sont scellés hermétiquement et placés dans un boîtier en plastique ou en métal avec trois bornes (Figure 2).

Image de comparaison de tailles et d'une variété de types de boîtiers populaires

Figure 2 : Comparaison de tailles et variété de types de boîtiers populaires.

Comment fonctionne un transistor ?

Pour prendre un exemple, nous allons montrer comment fonctionne un transistor NPN. Un moyen simple de comprendre sa fonction de commutateur est de penser à l'eau qui coule dans un tube contrôlé par une vanne. La pression de l'eau représente la « tension » et l'eau qui coule dans un tube représente le « courant » (Figure 3). Les grands tubes représentent la jonction collecteur/émetteur avec une vanne entre les deux, illustrée dans la Figure par un ovale gris, comme un clapet mobile, qui est actionné par le courant à partir d'un petit tube représentant la base. La vanne empêche la pression de l'eau de circuler du collecteur vers l'émetteur. Lorsque l'eau traverse le petit tube (la base), elle ouvre la vanne entre la jonction collecteur/émetteur, permettant à l'eau de s'écouler vers l'émetteur et sur la terre (la terre représente le retour de toute l'eau ou tension/courant).

Schéma de fonctionnement d'un transistor

Figure 3 : Cette représentation graphique illustre le fonctionnement d'un transistor. Lorsque l'eau traverse le plus petit tube (base), elle ouvre la vanne entre la jonction collecteur/émetteur, permettant à l'eau de circuler à travers l'émetteur vers la terre.

Choisir un transistor adapté à votre application

Si vous voulez simplement activer un circuit ou une charge, vous devez prendre en considération certains points. Déterminez si vous voulez polariser ou alimenter le commutateur du transistor avec un courant positif ou négatif (c'est-à-dire NPN ou PNP, respectivement). Un transistor NPN est commandé (ou activé) par un courant positif polarisé à la base pour contrôler le flux de courant du collecteur à l'émetteur. Les transistors de type PNP sont commandés par un courant négatif polarisé à la base pour contrôler le flux de l'émetteur au collecteur. (Notez que la polarité pour PNP est inversée par rapport à NPN.) Voir la Figure 4 ci-dessous pour plus de détails.

Schéma des symboles schématiques pour chaque type de transistor

Figure 4 : Symboles schématiques pour chaque type de transistor.

Une fois la tension de polarisation déterminée, la prochaine variable requise est la quantité de tension et de courant dont la charge a besoin pour fonctionner. Il s'agit des caractéristiques de tension et de courant minimum du transistor. Les Tableaux 1 et 2 ci-dessous illustrent quelques transistors et spécifications clés populaires, y compris leurs limites de tension et de courant.

Transistors, NPN et PNP, à sorties et montage en surface  Transistors, NPN et PNP, à sorties et montage en surface

Numéro de référence Type Tension collecteur/émetteur max. (Vce) Courant collecteur max., Ic mA Gain de courant CC (hFE) (min.) à Ic, Vce Puissance max. mW Liens vers séries 2N/MMBT pour plusieurs fournisseurs**
To-92 à sorties SOT-23 à montage en surface
2N3904 MMBT3904 NPN 40 200 100 à 10 mA, 1 V 625/350* 3904
2N4401 MMBT4401 NPN 40 600 100 à 150 mA, 1 V 625/350* 4401
2N5089 MMBT5089 NPN 25 50 400 à 100 μA, 5 V 625/350* 5089
2N3906 MMBT3906 PNP 40 200 100 à 10 mA, 2 V 625/350* 3906
2N4403 MMBT4403 PNP 40 600 100 à 150 mA, 1 V 625/350* 4403
2N5087 MMBT5087 PNP 50 50 250 à 100 μA, 5 V 625/350* 5087
*Pour le boîtier SOT-23
**Les spécifications peuvent varier. Vérifiez les détails dans la fiche technique

Tableau 1. Transistors NPN et PNP à sorties et à montage en surface populaires.

Transistors, NPN et PNP, boîtiers métalliquesTransistors, NPN et PNP, boîtiers métalliques

Numéro de référence Type Tension collecteur/émetteur max. (Vce) Courant collecteur max., Ic mA Gain de courant CC (hFE) (min.) à Ic, Vce Puissance max. mW Liens vers série 2N pour plusieurs fournisseurs**
TO-18 TO-39
-- 2N2219A NPN 40 800 100 à 150 mA, 10 V 800 2219A
2N2222A -- NPN 40 800 100 à 150 mA, 10 V 500 2222
-- 2N2905A PNP 60 600 100 à 150 mA, 10 V 600 2905
2N2907A -- PNP 60 600 100 à 150 mA, 10 V 400 2907A
**Les spécifications peuvent varier. Vérifiez les détails dans la fiche technique

Tableau 2. Transistors NPN et PNP populaires en boîtiers métalliques.

Exemples de circuits de transistors

La Figure 5 ci-dessous illustre un exemple de circuit qui active la jonction collecteur-émetteur en alimentant la base, ou en polarisant le transistor pour l'activer, en alimentant la base avec 5 V au moyen d'un interrupteur à glissière. Cet exemple allume une LED qui est la charge dans cet exemple. L'utilisation appropriée de résistances pour éviter les surintensités est nécessaire lors de la polarisation de la base. Des composants à sorties ont été utilisés dans un montage d'essai pour tester le circuit d'exemple. La plupart des ingénieurs utilisent des composants à montage en surface (de format beaucoup plus petit qu'un boîtier TO-92) lorsqu'il s'agit d'utiliser des transistors dans la conception d'un nouveau produit à commercialiser. Voici un lien qui montre différents formats de boîtiers pour les transistors 3904.

Puisque le 2N3904 est un transistor NPN, la base nécessite une polarisation positive (résistance et niveaux de tension appropriés) pour activer la jonction collecteur-émetteur pour un flux de courant correct. L'utilisation d'une résistance de charge (R1) est également importante pour limiter la quantité de courant traversant la LED et le transistor. Pour plus d'informations sur ce transistor, voir la fiche technique 2N3904.

Schéma d'un exemple de circuit 2N3904 pour allumer une LED avec un interrupteur à glissière EG1218

Figure 5 : Exemple de circuit 2N3904 pour allumer une LED avec un interrupteur à glissière EG1218, illustrant les broches C (collecteur), E (émetteur) et B (base) (image dessinée dans Scheme-it).

La Figure 6 est un exemple de circuit de veilleuse utilisant un transistor PNP. Pour afficher les détails de ce circuit, consultez le site Wiki dédié à l'ingénierie de Digi-Key.

Schéma d'un exemple de circuit de veilleuse 2N3906 pour allumer une LED avec une cellule photoélectrique PDV-P5003

Figure 6 : Exemple de circuit de veilleuse 2N3906 pour allumer une LED avec une cellule photoélectrique PDV-P5003 (image dessinée dans Scheme-it)

Bref historique de l'invention du transistor

Comment tout cela a-t-il commencé ? Cet historique est assez long. Néanmoins, je vais commencer par l'invention du téléphone. Le débat concernant le réel inventeur du premier prototype électrique fonctionnel est sans fin. Cependant, le premier brevet a été obtenu le 7 mars 18763 par Alexander Graham Bell, qui créera plus tard la société American Telephone and Telegraph (plus connue sous le nom d'AT&T). Vers 18941, le brevet de Bell a expiré. Bien qu'AT&T ait dominé le marché de la téléphonie jusqu'au début des années 1900, d'autres entreprises se sont formées et AT&T a perdu des clients. Pour cette raison, l'entreprise a jugé nécessaire de continuer à dominer et à étendre leur marché. En 1909, le président d'AT&T, Theodore Vail1, voulait passer des appels téléphoniques transcontinentaux (de New York à la Californie). Mais pour ce faire, un amplificateur ou répéteur correct pour amplifier les signaux sur de longues distances était nécessaire. Auparavant en 1906, Lee De Forest s'était inspiré d'une idée de John A. Fleming (qui avait repris le travail de Thomas Edison, en créant un tube à vide appelé « soupape d'oscillation » utilisé pour détecter les ondes radio), et l'avait modifiée pour créer la triode : un tube à vide à 3 bornes inefficace pouvant servir d'amplificateur. En 1912, Lee De Forest a été invité par Harold Arnold de Western Electric Company (fabricant d'AT&T) pour montrer son invention. Même si la triode de Lee De Forest fonctionnait à basse tension, Harold Arnold souhaitait travailler sur des tensions plus élevées afin de développer des répéteurs efficaces permettant de transmettre la voix sur de longues distances. Harold Arnold pensait pouvoir créer une meilleure triode et a donc embauché des scientifiques pour comprendre comment l'appareil fonctionnait et comment il pourrait l'améliorer. Il y est finalement parvenu en octobre 1913. Peu de temps après, des lignes téléphoniques ont été installées partout. Les investissements consacrés par AT&T au recrutement de scientifiques de haut niveau au fil des années leur ont permis de comprendre que des recherches approfondies leur donneraient un avantage sur leurs concurrents. Ils ont ainsi mis en place les laboratoires « Bell Telephone Laboratories » en 1925.

Des milliers de tubes à vide et de relais étaient nécessaires pour assurer le fonctionnement des lignes téléphoniques. Cependant, les tubes à vide consommaient beaucoup d'énergie, étaient volumineux et grillaient fréquemment. Fort de ses connaissances sur les développements technologiques du redresseur à quartz pour activer les radars durant la Seconde Guerre mondiale, Mervin Kelly, directeur de la recherche chez Bell, a compris que les semi-conducteurs pourraient être la solution pour créer un dispositif capable de remplacer les tubes à vide coûteux et peu fiables. Mervin Kelly est allé chercher l'un de leurs brillants physiciens, William Shockley, pour lui expliquer comment il envisageait d'améliorer les composants utilisés pour transférer la voix par fils. Mervin Kelly lui a confié qu'il attendait impatiemment le jour où les relais mécaniques bruyants et les tubes à vide gourmands en énergie seraient remplacés par des dispositifs électroniques à semi-conducteurs. Cette mission était parfaite pour William Shockley et est devenue son objectif principal. Mervin Kelly a chargé William Shockley de résoudre ce défi.

Il était brillant théoricien, mais n'était pas très doué pour concrétiser ses idées. William Shockley a tenté à plusieurs reprises de prouver son idée concernant le transfert d'électrons par effet de champ pour connecter deux côtés d'un semi-conducteur en alimentant une plaque au-dessus des semi-conducteurs. Mais il n'y est jamais parvenu. Frustré, il s'est tourné vers deux autres physiciens des laboratoires Bell, John Bardeen (brillant avec la théorie des électrons dans les semi-conducteurs) et Walter Brattain (doué en matière de prototype et d'utilisation d'équipement de laboratoire). Ils ont intégré son équipe. William Shockley les a laissé travailler de manière autonome. Au fil des années, de nombreuses tentatives ont été faites pour essayer de faire fonctionner l'effet de champ, en vain. Ils ont passé en revue leurs calculs qui, en théorie, auraient dû fonctionner. Grâce à une idée originale, John Bardeen et Walter Brattain ont réalisé des expériences avec de fines plaques de silicium et de germanium pour essayer de faire fonctionner l'effet de champ. À l'automne 1947, des progrès ont été accomplis alors que John Brattain rencontrait des problèmes de condensation d'eau qui se déposait à la surface du semi-conducteur. Plutôt que de le sécher, il a placé une goutte d'eau sur le silicium, a alimenté la plaque au-dessus et a remarqué un effet d'amplification. La goutte d'eau aidait à dépasser la barrière de surface qui contribuait à créer le flux d'électrons, mais elle était faible et ne permettait pas d'amplifier proprement les signaux vocaux nécessaires pour réussir à transmettre la voix.

En décembre 1947 (considéré comme le mois du miracle), ils ont pensé à éliminer l'écart de l'effet de champ, en enlevant l'eau et en créant un contact en or pour toucher le semi-conducteur. Ils sont passés au germanium, plus facile à travailler à cette époque, et l'ont isolé avec un mince film d'oxyde qui se forme naturellement sur le germanium. De nombreux tests ont été effectués sans succès. Cependant, à la mi-décembre, Walter Brattain a par inadvertance lavé le revêtement d'oxyde, mettant le contact en or directement sur le germanium ! Eurêka !!! L'amplification était bonne, et le transistor était opérationnel. Au lieu de tirer les électrons vers la surface du semi-conducteur comme dans la théorie d'effet de champ de William Shockley, Walter Brattain et John Bardeen ont découvert qu'en joignant le semi-conducteur avec un contact en or, ils injectaient des orifices dans le semi-conducteur, permettant à l'électricité de circuler. Vers la mi-décembre 1947, à l'insu de William Shockley, ils ont commencé à créer un prototype opérationnel. Walter Brattain a assemblé un appareil en forme de triangle en plastique avec une feuille d'or le long des bords obliques et a réalisé une fente aussi fine qu'une lame de rasoir à la pointe du triangle. C'était un prototype extrêmement rudimentaire. Ils ont utilisé un trombone réalisé dans un ressort pour presser le triangle dans le mince semi-conducteur germanium, au-dessus d'une mince plaque de cuivre, où il y avait deux bornes, une sur chaque extrémité du triangle. La plaque de cuivre sous la plaque de germanium servait en quelque sorte de 3e borne (Figure 7). Celui-ci a finalement été appelé transistor à pointes.

Walter Brattain et John Bardeen ont appelé William Shockley pour lui faire part de la bonne nouvelle. « Voilà ce que je voulais », a déclaré William Shockley. Il était à la fois heureux, car l'invention fonctionnait, mais déçu qu'il ne l'ait pas directement créée. La démonstration devant les patrons de William Shockley a eu lieu une semaine après leur découverte le 23 décembre 1947 (et elle fut annoncée publiquement le 30 juin 1948). Une photo a été prise pour marquer l'histoire (Figure 8). William Shockley savait que le fragile transistor à pointes ne serait pas facile à fabriquer et il a tout fait pour tenter de l'améliorer (par lui-même). Il a travaillé d'arrache-pied pour essayer de résoudre le problème à sa manière… documentant ses pensées pour essayer de le rendre plus intégré en superposant les matériaux semi-conducteurs ensemble. Des recherches plus poussées ont été nécessaires pour finaliser la théorie et déposer un brevet pour le transistor à jonctions (brevet déposé le 25 juin 1948). Une démonstration du transistor à jonctions n-p-n fonctionnel a été effectuée le 20 avril 1950 (grâce aux travaux de Gordon Teal et de Morgan Sparks). Les détails de cette histoire vont beaucoup plus loin que vous ne pouvez l'imaginer4.

Le prix Nobel pour l'invention de l'effet transistor a été attribué à William Shockley, John Bardeen et Walter Brattain le 10 décembre 1956.

Image du transistor à pointes

Figure 7 : Transistor à pointes (photo utilisée avec l'autorisation de Nokia Corporation)

Image de John Bardeen, à gauche, William Shockley, au milieu et Walter Brattain, à droite

Figure 8 : John Bardeen, à gauche, William Shockley, au milieu et Walter Brattain, à droite. (photo utilisée avec l'autorisation de Nokia Corporation)

Références

  1. Riordan, Michael et Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
  2. Ryder, R.M. 1958. "Ten years of Transistors", Radio-Electronics Magazine, Mai, page 35.
  3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. "ALEXANDER GRAHAM BELL". Récupéré le 19 décembre 2017.
  4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson et Conyers Herring. 1999. "The Invention of the Transistor", Modern Physics, Vol 71, No. 2: Centenary.

Des informations supplémentaires sont disponibles sur le site : http://www.pbs.org/transistor/

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À propos de l'auteur

John LeDuc

John LeDuc, chef de projet numérique chez Digi-Key Electronics, a commencé sa carrière en 1984 en répondant aux questions techniques des clients de Digi-Key, et en révisant et en ajoutant des produits au catalogue. Il s'est spécialisé dans le support de la carte de démonstration INS8073 Tiny Basic de National Semiconductor. John travaille maintenant à améliorer l'expérience numérique de nos clients ingénieurs en recueillant et en trouvant des idées uniques pour améliorer notre site Web. Il est titulaire d'une licence en technologies électroniques et il aime bricoler avec des composants électroniques durant son temps libre et créer des conceptions uniques avec son imprimante 3D.

À propos de l'éditeur

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