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Transistor NPN vs PNP : structure, sens du courant, symbole, utilisation

Un transistor NPN est formé d’une base de type p prise en sandwich entre un émetteur et un collecteur de type n ; un transistor PNP est l’inverse, avec une base de type n entre un émetteur et un collecteur de type p. Dans le NPN, le courant est porté principalement par des électrons, dans le PNP par des trous, et tous les sens de tension et de courant sont inversés. Dans le silicium, la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous : à dimensions égales, le NPN est plus rapide et obtient plus facilement un gain en courant élevé, c’est pourquoi il est le plus utilisé.

CritèreNPNPNP
Ordre des couches (émetteur, base, collecteur)Type n, type p, type nType p, type n, type p
Porteurs transportant principalement le courantÉlectrons (injectés de l’émetteur dans la base)Trous (injectés de l’émetteur dans la base)
Polarisation en régime actifJonction base-émetteur en direct (base environ 0,6 à 0,7 V au-dessus de l’émetteur), jonction base-collecteur en inverseJonction base-émetteur en direct (base environ 0,6 à 0,7 V en dessous de l’émetteur), jonction base-collecteur en inverse
Relation entre les tensions des bornes (régime actif)VC > VB > VEVE > VB > VC
Sens du courantEntre par la base et le collecteur, sort par l’émetteurEntre par l’émetteur, sort par la base et le collecteur
Flèche du symboleSur l’émetteur, dirigée vers l’extérieurSur l’émetteur, dirigée vers l’intérieur
Utilisation en interrupteurInterrupteur côté bas (low-side), placé entre la charge et la masse. Passant quand on injecte un courant dans la baseInterrupteur côté haut (high-side), placé entre l’alimentation et la charge. Passant quand on tire un courant hors de la base
Performances (à dimensions égales)Mobilité des électrons élevée : plus rapide, gain en courant élevé plus facile à obtenirMobilité des trous plus faible : tend à être plus lent que le NPN, avec un gain en courant un peu plus faible
Utilisations principalesAmplificateurs, interrupteurs côté bas, sorties à collecteur ouvert, circuits rapides comme l’ECLInterrupteurs côté haut, étages de sortie push-pull associés à un NPN, sources de courant fournissant le courant depuis l’alimentation

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

NPN
Le premier choix en cas de doute. Très courant pour commuter une LED ou un relais côté masse depuis une broche de microcontrôleur, et dans les amplificateurs classiques.
PNP
Pour commuter une charge côté alimentation, ou pour réaliser une source de courant qui fournit le courant depuis l’alimentation.
Combinaison
Une paire NPN-PNP aux caractéristiques appariées (paire complémentaire) permet de réaliser un amplificateur push-pull où chaque transistor prend en charge une demi-alternance, positive ou négative. La classe B produisant une distorsion de croisement, on utilise généralement la classe AB, avec un léger courant de polarisation.

Questions fréquentes

Comment distinguer les symboles NPN et PNP ?

Par le sens de la flèche placée sur l’émetteur. Elle indique le sens du courant direct dans la jonction PN base-émetteur (du type p vers le type n) : vers l’extérieur de l’émetteur pour le NPN, vers l’intérieur pour le PNP.

Pourquoi le NPN est-il plus utilisé ?

Parce que dans le silicium, la mobilité des électrons est environ 2 à 3 fois celle des trous : à structure égale, le NPN atteint plus facilement un gain en courant et une vitesse élevés. Autre raison : dans les circuits référencés à la masse, un interrupteur côté bas à NPN est simple à réaliser.

Peut-on remplacer un NPN par un PNP ?

Pas par simple substitution. Tous les sens de tension et de courant étant inversés, il faut repenser le circuit, y compris la polarité de l’alimentation et la position de la charge. En retournant tout le circuit entre côté alimentation et côté masse, on peut obtenir la même fonction.

Comment rendre passant un transistor PNP ?

En portant la base environ 0,6 à 0,7 V en dessous de l’émetteur et en tirant un courant hors de la base. Dans un interrupteur côté haut dont l’émetteur est relié à l’alimentation, on le rend passant en tirant la base vers la masse à travers une résistance, et on le bloque en la portant à la même tension que l’émetteur.

Vérifier vos connaissances

Quelles conditions de polarisation sont correctes pour utiliser un transistor NPN en amplification (fonctionnement en régime actif) ?

  1. ABase-émetteur en direct, base-collecteur en inverse
  2. BBase-émetteur en inverse, base-collecteur en direct
  3. CBase-émetteur et base-collecteur toutes deux en direct
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Réponse : A. Base-émetteur en direct, base-collecteur en inverse

En régime actif, la jonction base-émetteur est polarisée en direct pour injecter des électrons de l'émetteur dans la base, et la jonction base-collecteur en inverse pour attirer vers le collecteur, par un champ intense, les électrons ayant traversé la base. Le courant de collecteur dépend très peu de la tension de collecteur et est fixé par le courant de base (ou VBE), ce qui permet l'amplification. Si les deux jonctions sont en direct, c'est le régime saturé (interrupteur fermé) ; si les deux sont en inverse, le régime bloqué (ouvert).

Dans un transistor PNP, quels porteurs, injectés de l'émetteur dans la base, transportent principalement le courant ?

  1. ALes électrons
  2. BLes trous
  3. CLes ions
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Réponse : B. Les trous

Dans un transistor PNP, des trous sont injectés de l'émetteur de type p dans la base de type n, traversent la base et sont collectés par le collecteur de type p. Dans un NPN, ce rôle est tenu par les électrons. La mobilité des électrons étant environ trois fois celle des trous, à structure égale le NPN est plus rapide et a un gain en courant plus élevé ; il est donc majoritaire. Le PNP sert dans les montages push-pull associés à des NPN ou comme interrupteur côté positif de l'alimentation (high side), avec des sens de tension et de courant opposés à ceux du NPN.

Dans le symbole d'un transistor NPN, quel est le sens correct de la flèche portée par l'émetteur ?

  1. ADu collecteur vers l'émetteur
  2. BDe la base vers l'extérieur, côté émetteur
  3. CDe l'extérieur de l'émetteur vers la base
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Réponse : B. De la base vers l'extérieur, côté émetteur

La flèche du symbole indique le sens du courant direct dans la jonction PN base-émetteur (p→n). Dans un NPN, le courant va de la base (p) à l'émetteur (n), la flèche pointe donc vers l'extérieur ; dans un PNP, vers l'intérieur. Un moyen mnémotechnique connu est « NPN : Not Pointing iN » (ne pointe pas vers l'intérieur). La flèche n'étant portée que par l'émetteur, le symbole permet aussi de distinguer émetteur et collecteur.

  1. Dans un transistor NPN, quelle est la principale raison de doper l'émetteur plus fortement que la base ?
  2. Quelle distorsion apparaît facilement dans un amplificateur push-pull classe B où des transistors NPN et PNP se partagent les demi-périodes positive et négative ?
  3. Quel est l'ordre de grandeur de la tension base-émetteur VBE d'un transistor bipolaire silicium en régime actif ?

Questions d'entraînement sur Transistors bipolaires

Termes clés expliqués

Gain en courant (hFE)
Rapport entre le courant de collecteur et le courant de base d'un transistor bipolaire (IC/IB).
Région active
État où la jonction base-émetteur est polarisée en direct et la jonction base-collecteur en inverse. Un courant de collecteur proportionnel au courant de base circule ; utilisé pour l'amplification.
Région de saturation
État d'un transistor bipolaire où les jonctions base-émetteur et base-collecteur sont toutes deux polarisées en direct. La tension collecteur-émetteur tombe à environ 0,1 à 0,3 V, ce qui correspond à un interrupteur fermé.
Émetteur suiveur
Amplificateur à collecteur commun. Gain en tension proche de 1, mais impédance d'entrée élevée et impédance de sortie faible ; il sert de tampon pour attaquer l'étage suivant sans affaiblir le signal.
Distorsion de croisement
Distorsion d'un amplificateur push-pull de classe B, apparaissant autour de 0 V lors du passage d'un transistor à l'autre, aucun ne conduisant. On la réduit en classe AB par un léger courant de polarisation.

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