Transistors (BJT, MOSFET)

Le transistor (le bipolaire se dit BJT, bipolar junction transistor) est le composant qui a fait sortir l'électronique des laboratoires : trois pattes, quelques centimes, et la capacité de faire obéir 50 mA à 0,5 mA. Robinet de courant et interrupteur sans usure à la fois. Cette page couvre le NPN et le PNP — principe, régimes, commande depuis une broche de microcontrôleur — et les deux pièges qui cassent le plus de montages débutants : le gain hFE mal lu, la diode de roue libre oubliée.

1. C'est quoi ?

Un transistor bipolaire est un cristal de semi-conducteur (deux couches dopées N encadrant une couche P, ou l'inverse) à trois pattes : la base (B), le collecteur (C) et l'émetteur (E). Dans un NPN, un petit courant entrant dans la base en laisse passer 50 à 300 fois plus entre collecteur et émetteur ; dans un PNP, tout marche à l'envers, polarités incluses. Vocabulaire anglais tel quel dans les datasheets : base, collector, emitter, gain (hFE), saturation, cutoff.

L'image juste est celle du robinet : la base est la poignée, qu'on tourne à peine ; le tuyau, le chemin collecteur-émetteur, traversé par un courant qui vient de l'alimentation, pas de la poignée. La broche d'un microcontrôleur commande la poignée en microampères ; les ampères arrivent du rail 12 V par le collecteur. Télécommande de courant sans contact mobile, à deux métiers :

• en commutateur (interrupteur) : conduit à fond ou pas du tout, au rythme des commandes — une broche 3,3 V allume une LED de puissance, un relais, un moteur, un buzzer ;
• en amplificateur : il reste en zone intermédiaire et multiplie les variations d'un signal faible, cent fois, mille fois (les étages de toutes les radios avant l'ampli op).

On le croise en plastique TO-92 à tête demi-cylindrique (BC547, 2N3904), en TO-126 ou TO-220 à ailette (BD139, 2N3055), et en CMS. Avant l'ère des microcontrôleurs, il occupait toutes les cases du schéma ; il reste l'interface obligée entre une broche fragile et le monde des bobines et moteurs.

2. Comment ça marche ?

Un bipolaire, c'est deux jonctions PN en série : « émetteur N, base P, collecteur N » pour un NPN — l'inverse pour un PNP. La jonction base-émetteur conduit comme une diode, chute de 0,6 à 0,7 V : la fameuse Vbe. La jonction base-collecteur, en sens inverse, ne conduit pratiquement rien. Montage NPN courant : collecteur en haut vers le plus, émetteur à la masse, base à gauche du schéma.

Ic = hFE × Ib

Côté commande, la base ne monte jamais au-delà de Vbe : la résistance de base voit « la tension de commande moins 0,7 V ». Depuis une broche 3,3 V et Rb = 4,7 kΩ, elle reçoit (3,3 − 0,7)/0,0047 ≈ 0,55 mA. La loi d'Ohm fixe Ib ; Ie vaut Ib plus Ic, évacué par l'émetteur.

Trois régimes résument l'usage pratique du composant :

1. Bloqué (cutoff) : aucun courant de base. Ic = 0, Vce = Vcc. Interrupteur ouvert.
2. Linéaire (zone active) : courant de base faible mais réel, hFE fois plus au collecteur sans se limiter, Vce au-dessus de Vce(sat) — la zone de l'amplification.
3. Saturé : trop de courant de base pour le circuit extérieur ; le collecteur tombe au plancher (Vce(sat) = 0,1 à 0,2 V en petits signaux) et Ic se fixe à la loi d'Ohm du circuit :

Ic max = Vcc / Rc

Ce plafond est la droite de charge, dessinée en direct par le simulateur de la section 4. Le gain hFE appelle la méfiance qu'aucun autre paramètre ne mérite : les datasheets donnent une fourchette, jamais une valeur — le BC547 court de 110 à 800 selon son groupe, et une pièce varie de moitié avec la température. Règle : dimensionner sur le minimum garanti ; en commutation, forcer même Ic/Ib de 10 à 20.

SchémaMontage type : le NPN en commutateur

3. Dans le vrai monde

Quatre paramètres commandent le choix — Vceo, Ic max continu, gain hFE, dissipation Ptot — et trois références couvrent l'essentiel pour moins d'un demi-euro pièce depuis quarante ans :

Référence	Boîtier	Vceo	Ic max	hFE	Prix indicatif
BC547	TO-92	45 V	100 mA	110 à 800 (3 groupes A, B, C)	0,05-0,10 euro
2N3904	TO-92	40 V	200 mA	100 à 300	0,05-0,15 euro
BD139	TO-126	80 V	1,5 A	40 à 160	0,20-0,45 euro

Chaque référence a son jumeau PNP symétrique : BC557, 2N3906, BD140 — émetteur vers le plus, collecteur vers la charge, base commandée en tirant vers le bas. Les montages à microcontrôleur restent dominés par le NPN : côté masse, logique « broche haute = allumé ». Piège du brochage : face plate vers soi et pattes vers le bas, le BC547 se lit C-B-E, le 2N3904 E-B-C. Un test multimètre des jonctions (B-E et B-C montrent chacune une diode d'environ 0,6 V) évite un composant monté à l'envers.

Face à son rival, le MOSFET — un étage du dessous de l'iceberg —, le choix d'un concepteur se résume ainsi :

Critère	Bipolaire (BJT)	MOSFET
Commande	un courant continu dans la base (µA à mA)	une tension de grille, courant quasi nul
À l'état passant	chute Vce(sat) de 0,1 à 0,5 V, quasi fixe	résistance Rds(on), milliohms pour les gros modèles
Fragilité	tolère les petites surcharges	grille fragile à l'électricité statique et aux dépassements de Vgs
Usage type	driver de relais, étages d'amplification audio	commande de puissance, commutation rapide (LED, moteurs, convertisseurs)

Les datasheets de ces familles servent de leçon de lecture des quatre paramètres — Vceo, Ic max, hFE par groupe, Vce(sat), dissipation. En CMS (SOT-23), brochage différent à chaque famille : datasheet obligatoire.

4. Exemple pratique

Le montage : commander un relais depuis une broche

La scène type : microcontrôleur 3,3 V, une broche de sortie, une bobine de relais 12 V à 50 mA — jamais depuis la broche. Le montage tient en trois pièces : la résistance de base Rb entre broche et base ; le NPN, collecteur en haut, bobine entre le rail 12 V et le collecteur ; la diode de roue libre en parallèle sur la bobine. Sans elle, à l'ouverture, l'énergie de la self monterait le collecteur à des dizaines de volts — transistor mort (rappel dans diodes).

SchémaSimulateur NPN — la droite de charge en direct

InteractifTransistor NPN — droite de charge

Transistor linéaire : Ic = 3,75 mA — Vce = 10,2 V — P = 38,4 mW. La broche de commande ne fournit que Ib = 25 µA.

Ic demandé en zone linéaire = hFE × Ib = 3,75 mA ; plafonné par la droite de charge : Ic max = Vcc/Rc = 25,5 mA.

Courant de base Ib : 25 µAGain hFE : 150Résistance Rc : 470 Ω

Vcc = 12 V. Modèle simplifié : Vbe = 0,7 V à la commande, Vce(sat) = 0,1 V en saturation, hFE constant — en réalité, tout cela varie d'une pièce à l'autre.

Exercice résolu — un relais 12 V de 50 mA piloté par une broche 3,3 V

Bobine : 12 V, 50 mA. Broche de commande : 3,3 V, au plus 20 mA. Choisir Rb et le transistor.

1. Courant visé : Ic = 50 mA, la bobine — jamais par la broche.
2. Pire cas du gain — la hFE minimale garantie, 100 — donne Ib = Ic / hFE ≈ 0,5 mA, tout ce que la broche fournira, 40 fois sous sa limite.
3. Résistance de base : la broche pousse 3,3 V moins Vbe (0,7 V) dans Rb : Rb = (3,3 − 0,7) / 0,0005 ≈ 5,2 kΩ.
4. Valeur commerciale : 4,7 kΩ (série E12, sous le calcul) donne Ib = 2,6 / 0,0047 ≈ 0,55 mA, marge dans le bon sens ; 5,6 kΩ donnerait 0,46 mA, sous le besoin : risque de non-saturation sur une pièce médiocre.
5. Choix du transistor : Ic max au moins double (100 mA), hFE min garantie au moins 100, Vceo avec marge. Le 2N3904 coche tout (200 mA, hFE min 100, 40 V) ; au-delà de 100 mA : BD139 (1,5 A), Darlington (hFE de l'ordre de 1000) ou MOSFET.
6. Échauffement : en saturation, P = Vce(sat) × Ic ≈ 0,1 × 0,05 = 5 mW, glacé — ne chauffe que planté entre deux zones.

Exercice résolu — étage à émetteur commun : polarisation et gain maximal

Montage : Vcc = 12 V ; pont de base R1 = 100 kΩ (vers le plus), R2 = 22 kΩ (vers la masse) ; Re = 1 kΩ ; Rc = 4,7 kΩ ; transistor BC547B. Point de repos et gain maximal :

1. Tension de base par le pont (son courant, 100 µA, reste dix fois le courant de base) : Vb = 12 × 22 / (100 + 22) ≈ 2,2 V.
2. Courant d'émetteur : la jonction B-E prend 0,7 V, donc Ve = 1,5 V puis Ie = 1,5 mA ≈ Ic.
3. Point de repos : chute dans Rc ≈ 7,1 V, donc Vc ≈ 4,9 V et Vce ≈ 3,4 V — pleine zone linéaire, au milieu de l'échelle.
4. Gain maximal (Re découplée par un condensateur) : résistance dynamique de la jonction re ≈ 26 mV / 1,5 mA ≈ 18 Ω, donc Av ≈ − Rc / re ≈ − 260.
5. Sans découplage, Av ≈ − Rc / (Re + re) ≈ − 4,7 : moins de gain, plus de stabilité — le compromis des amplis réels.

Ce même étage, complété de ses condensateurs de liaison, a fait tourner des millions de radios avant l'ère des circuits intégrés.

5. Vérifier sa compréhension

Réfléchissez avant de dérouler les réponses.

1. Une broche limite son courant à 20 mA : comment peut-elle commander une bobine de 50 mA, et pourquoi le transistor est fait pour cela ?
2. Le testeur affiche hFE = 400 sur un BC547 : quelle valeur sert au calcul de Rb, et pourquoi ?
3. Le transistor commute entre deux régimes extrêmes : lesquels, que valent Vce et Ic dans chacun ?
4. Le relais tient des semaines ; le transistor meurt à la coupure, jamais à l'allumage : quelle pièce manque, que se passe-t-il ?
5. Face au MOSFET — le bipolaire exige en plus le courant de base permanent — dans quel cas ce dernier s'impose-t-il ?

6. Pour aller plus loin

• IEC 60747-7 — « Dispositifs à semi-conducteurs — Partie 7 : transistors bipolaires » : paramètres et classes normalisés, chez l'IEC.
• Datasheet BC547 (Nexperia, héritière des feuilles Philips) : hFE par groupe A/B/C, Vce(sat), sur nexperia.com.
• Datasheet 2N3904 (onsemi, successeur de Fairchild) : la référence du généraliste américain, sur onsemi.com.
• Toshiba Semiconductor — notes d'application d'initiation (What is a Transistor?), sur toshiba.semicon-storage.com.
• Horowitz, Hill — The Art of Electronics, 3e éd. (Cambridge University Press) : polarisation, émetteur commun, Darlington.