Transistor

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Le transistor est le composant électronique actif fondamental en électronique utilisé principalement comme interrupteur commandé et pour l'amplification, mais aussi pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations.

Le terme transistor provient de l’anglais transconductance varistor (résistance variable de transconductance). Il a été voté par un comité directeur de 26 personnes des Bell Labs le 28 mai 1948 (mémo 48-130-10) parmi les noms proposés suivants: semiconductor triode, surface states triode, crystal triode, solid triode, iotatron, transistor. Pour des raisons commerciales, il fallait un nom court, sans équivoque avec la technologie des tubes électroniques. Transistor fut choisi. Il désigne un dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives qui permet le contrôle grâce à une électrode d'entrée (base pour les bipolaires et grille pour les FET) d'un courant ou d'une tension sur l'une des électrodes de sorties (collecteur pour les bipolaires et drain pour les FET).

Par métonymie, le terme transistor désigne également les récepteurs radio équipés de transistors.

[modifier] Historique

**Exemple de l'intégration galopante**
Nombre de transistors dans les microprocesseurs Intel : 1971 : 4004 : 2 300 transistors 1978 : 8086 : 29 000 transistors 1982 : 80286 275 000 transistors 1989 : 80486 : 1,16 millions de transistors 1993 : Pentium : 3,1 millions de transistors 1995 : Pentium Pro : 5,5 millions de transistors 1997 : Pentium II : 27 Millions de transistors 2001 : Pentium 4 : 42 millions de transistors 2004 : Pentium Extreme Edition : 169 millions de transistors 2006 : Core 2 : 291 millions de transistors

En 1930, Lilienfeld avait déjà déposé un brevet concernant le principe du transistor à effet de champ.

L’effet transistor a été découvert en 1947 par les américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Téléphone. Ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1956.

Le transistor fut considéré comme un énorme progrès face au tube électronique : il est plus robuste, il fonctionne avec des tensions faibles, il peut donc être alimenté par des piles et il fonctionne instantanément une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage.

Il a été rapidement assemblé, avec d'autres composants, au sein de circuits intégrés, ce qui lui permit de conquérir encore plus de terrain sur les autres formes d'électronique active.

Le transistor a constitué une invention déterminante sans laquelle l'électronique et l'informatique ne posséderaient pas leurs formes actuelles (2006); il a permis à la société de l’information électronique de se développer.

Transistor-curve tracer

[modifier] Types de transistors

[modifier] Bipolaires

Image:Searchtool.svg Voir l’article Transistor bipolaire.

[modifier] À effet de champ

Parmi les transistors à effet de champ (ou FET, pour Field Effect Transistor), on peut distinguer les familles suivantes :

Transistors MOSFET : ils utilisent les propriétés des structures Métal/Oxyde/Semiconducteur;
Transistors JFET : ils utilisent les propriétés des jonctions PN ; leur mise en œuvre (schémas, calcul des éléments du circuit et des caractéristiques des montages) est décrite dans l'article Transistor JFET.

[modifier] Autres types

Le transistor dit unijonction, qui n’est quasiment plus utilisé, mais servait à créer des oscillateurs à relaxation.
L'IGBT, un hybride de bipolaire et de MOSFET, uniquement utilisé en électronique de puissance.

[modifier] Applications

Les deux principaux types de transistors permettent de répondre aux besoins de l'électronique analogique, numérique et de l'électronique de puissance et haute tension.

Les bipolaires sont plutôt utilisés en analogique et en électronique de puissance.
Les FET sont principalement utilisés en électronique numérique (réalisation d'opérations logiques). Ils peuvent être utilisés pour faire des blocs analogiques dans des circuits numériques (régulateur de tension par exemple). Ils sont aussi utilisés pour faire des commandes de puissance (moteurs) et pour l'électronique haute tension (automobile). Leurs caractéristiques s'apparentent plus à celles des tubes électroniques. Ils offrent une meilleure linéarité dans la cadre d'amplificateurs Hi-Fi, donc moins de distorsion.

[modifier] Constitution

Les substrats utilisés vont du germanium (série AC, aujourd’hui obsolète), en passant par le silicium, l’arséniure de gallium, silicium-germanium et plus récemment le carbure de silicium et le nitrure de gallium. Pour la grande majorité des applications, on utilise le silicum alors que les matériaux plus exotiques tels que l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium sont plutôt utilisés pour réaliser les transistors hyper-fréquence et micro-onde.

Un transistor bipolaire se compose de deux parties de substrat semi-conducteur dopées identiquement (P ou N) séparées par une mince tranche de semiconducteur dopée inversement ; on a ainsi deux types : N-P-N et P-N-P ;
Le transistor à effet de champ classiquement se compose d’un barreau de semiconducteur dopé N ou P, et entouré en son milieu d’un anneau de semiconducteur dopé inversement (P ou N). On parle de FET à canal N ou P suivant le dopage du barreau ;
Le transistor MOS se compose d’un barreau de semiconducteur P ou N sur lequel on fait croître par épitaxie une mince couche d’isolant (silice par exemple), laquelle est surmontée d’une électrode métallique.

[modifier] Description schématique

Image:Transistor mosfet.svg

Les trois connexions sont appelées :

transistors bipolaires	symbole	transistors à effet de champ	symbole
le collecteur	C	le drain	D
la base	B	la grille	G
l’émetteur	E	la source	S

Pour le transistor bipolaire, la flèche identifie l’émetteur ; elle pointe vers l'extérieur dans le cas d’un NPN, vers l'intérieur dans le cas d'un PNP. L’électrode reliée à la ligne droite figure la base et l’autre électrode figure le collecteur.

Dans le cas de l’effet de champ, la flèche disparaît, car le dispositif est symétrique (drain et source sont échangeables). Les traits obliques sont habituellement remplacés par des traits droits.

Pour le transistor MOS, la grille se détache des autres électrodes, pour indiquer l’isolation due à la présence de l’oxyde.

En réalité, il existe une quatrième connexion pour les transistors à effet de champ, le substrat (parfois appelé bulk), qui est habituellement relié à la source (c’est la connexion entre S et les deux traits verticaux sur le schéma).

[modifier] Principe de fonctionnement

[modifier] Transistor MOS

Le fonctionnement d’un transistor type MOSFET est assez simple à comprendre. Nous prendrons l’exemple d’un canal N, le plus fréquent ; le canal P a un fonctionnement identique en inversant les polarisations.

Le transistor est généralement constitué d'un substrat de type P, faiblement dopé, dans lequel on diffuse par épitaxie deux zones N+ qui deviendront la source et le drain. Le silicium au-dessus du canal est oxydé en SiO₂ puis métallisé pour réaliser la grille, ce qui constitue une capacité entre la grille et le substrat.

En général, on relie la source à la masse, ainsi que le substrat. On porte le drain à un potentiel supérieur de ceux de la source et du substrat, créant ainsi un champ électrostatique entre la source, le substrat et le drain.

Au repos, deux cas sont possibles :

Ou bien la capacité grille/substrat est flottante à vide : il n'y a quasiment pas de porteurs pour conduire un éventuel courant, les deux jonctions source-substrat et substrat-drain sont polarisées en inverse ; dans ce cas, on parle d'un MOSFET à enrichissement ;

Ou bien la capacité grille/substrat est en inversion, ce qui signifie que des électrons du substrat sont attirés au voisinage de l'oxyde. Ceux-ci constituent un afflux de porteurs minoritaires qui vont être disponible pour conduire le courant entre source et drain ; le transistor est normalement conducteur, on parle de MOSFET à deplétion (ou à appauvrissement).

Dans les deux cas, le courant source-drain est modulé par la tension de grille. Dans le type à enrichissement, il faut appliquer une tension positive à la grille pour amener la capacité grille-substrat en inversion : le transistor conduit à partir d'un certain seuil. Dans le type à déplétion, le transistor est conducteur lorsque la grille est à la masse, il faut donc l'amener à une tension négative pour faire cesser la conduction.

Lorsque le transistor conduit, une augmentation de la polarisation entre le drain et la source augmente le courant (non-linéairement). À partir d'une tension de drain supérieure à la tension de grille, le champ électrostatique entre le substrat et la grille s'inverse localement au voisinage du drain. Le canal d'électrons y disparaît, le courant sature. Toute augmentation de la tension de drain au-delà de la tension de saturation conduit à une disparition encore plus précoce du canal d'électrons, et à une augmentation faible voire nulle du courant.

À tension source-drain constante, le courant de saturation varie comme le carré de la tension grille-substrat.

Une analogie très utile pour comprendre facilement le fonctionnement d'un FET, sans utiliser des concepts d'électrostatique, est de le comparer à un robinet d'eau. La grille est la commande analogue au pas de vis du robinet qui contrôle le débit d'eau (courant). Après un quart de tour, il se peut que seul un faible filet d'eau coule. Puis, le courant augmente rapidement avec une faible rotation. Enfin, malgré des tours dans le vide, le courant n'augmente plus, il sature. Enfin, si on veut augmenter le débit du robinet, il faut augmenter le diamètre du tuyau (différence de potentiel grille-substrat).

[modifier] Bipolaire

Le transistor bipolaire fonctionne différemment. Il existe 2 types de transistors bipolaires : de type NPN et de type PNP. Nous prendrons le cas d'un type NPN qui se caractérise par des tensions positives et un courant à la base positif.

Dans ce type de transistor, l'émetteur, relié à la première zone N, se trouve polarisé à une tension inférieure à celle de la base, reliée à la zone P. La diode émetteur/base se trouve donc polarisée en direct, et du courant (injection d'électrons) circule entre l'émetteur et la base.

Le secret du transistor bipolaire réside dans sa géométrie : la base, faite de matériau P, présente des dimensions négligeables par rapport aux deux régions N. Ceci a deux effets :

Le courant inverse de porteurs majoritaires type trous dans le substrat P est négligeable par rapport à l'injection d'électrons venus de l'émetteur, les recombinaisons restent donc marginales ;

Un grand nombre d'électrons injectés par l'émetteur se retrouvent projetés vers la jonction base-collecteur, le champ électrique n'ayant pas le temps d'agir sur les électrons en transit dans la base.

En fonctionnement normal, la jonction base-collecteur est polarisée en inverse, ce qui signifie que le potentiel du collecteur est bien supérieur à celui de la base. Les électrons, en trajectoire balistique, se trouvent donc projetés contre une jonction polarisée en inverse. Cependant, la différence de potentiel, et donc de niveaux d'énergie, induit un effet tunnel important qui permet à la quasi-totalité de ces électrons de franchir la zone de charge d'espace et de se retrouver « collectés » dans le collecteur (d'où le nom).

Approximativement donc, tout le courant issu de l'émetteur se retrouve dans le collecteur. Ce courant est une fonction non-linéaire de la tension base-émetteur. Stricto sensu, le transistor bipolaire fait donc également partie des dispositifs à transconductance, qui produisent un courant modulé par une tension. Cependant, dans la plupart des cas, le transistor opère dans un régime de petits signaux, quasi-linéaire, où l'on préfère l'utiliser comme amplificateur de courant : le courant collecteur est alors un simple multiple du courant de base.

En principe, le transistor bipolaire devrait être un dispositif symétrique donc réversible, mais, en pratique, pour fonctionner correctement, les dimensions des trois parties sont très différentes et ne permettent pas un fonctionnement symétrique.

La mise en œuvre du transistor bipolaire (schémas, calcul des éléments du circuit et des caractéristiques des montages) est décrite dans l'article transistor bipolaire.

[modifier] Différences

Les deux types de transistors fonctionnent de façons très différentes :

Le transistor bipolaire est un amplificateur de courant, on injecte un courant dans l’espace base/émetteur afin de créer un courant multiplié par le gain du transistor entre l’émetteur et le collecteur.
- Les transistors bipolaires N.P.N. (négatif-positif-négatif) laissent circuler un courant de la base (+) vers l’émetteur (-) sont plus rapides et ont une meilleure tenue en tension que les transistors P.N.P. base (-) émetteur (+), mais peuvent être produits avec des caractéristiques complémentaires par les fabricants pour les applications le nécessitant.

Image:Jfet-p-chtaube050413.png

Image:Jfet-n-chtaube050413.png

Le transistor à effet de champ. Son organe de commande est la grille (gate en anglais). Celle-ci n’a besoin que d’une tension (ou un potentiel) entre la grille et la source pour contrôler le courant entre la source et le drain. Le courant de grille est nul (ou négligeable) en régime statique, puisque la grille se comporte vis-à-vis du circuit de commande comme un condensateur de faible capacité.
- Il existe plusieurs types de transistors à effet de champ : transistors à déplétion, à enrichissement (de loin les plus nombreux) et à jonction (JFET).

Dans chaque famille, on peut utiliser soit un canal de type N soit de type P, ce qui fait donc en tout six types différents.

- Pour les transistors à déplétion ainsi que les JFET, le canal drain-source est conducteur si le potentiel de grille est nul. Pour le bloquer, il faut rendre ce potentiel négatif (pour les canaux N) ou positif (pour les canaux P).
- Inversement, les transistors à enrichissement sont bloqués lorsque la grille a un potentiel nul. Si on polarise la grille d’un transistor N par une tension positive ou celle d’un transistor P par une tension négative, l’espace source drain du transistor devient passant.
- Chacun de ces transistors est caractérisé par une tension de seuil, correspondant à la tension de grille qui fait la transition entre le comportement bloqué du transistor et son comportement conducteur. Contrairement aux transistors bipolaires, dont la tension de seuil ne dépend que du semi-conducteur utilisé (silicium, germanium ou As-Ga), la tension de seuil des transistors à effet de champ dépend étroitement de la technologie, et peut varier notablement même au sein d’un même lot. Le transistor à effet de champ à déplétion à canal N est le semi-conducteur dont les caractéristiques se rapprochent le plus des anciens tubes à vide (triodes). À puissance égale, les transistors N sont plus petits que les P. À géométrie égale, les transistors N sont également plus rapides que les P. En effet, les porteurs majoritaires dans un canal N sont les électrons, qui se déplacent mieux que les trous, majoritaires dans un canal P. La conductivité d'un canal N est ainsi supérieure à celle d'un canal P de même dimension.
- La plupart des circuits intégrés numériques (en particulier les microprocesseurs) utilisent la technologie CMOS qui permet d'intégrer à grande échelle (plusieurs millions) des transistors à effet de champ (à enrichissement) complémentaires (c’est-à-dire qu’on retrouve des N et des P). Pour une même fonction, l’intégration de transistors bipolaires consommerait beaucoup plus de courant. En effet, un circuit CMOS ne consomme du courant que lors des basculements. La consommation d'une porte CMOS correspond uniquement à la charge électrique nécessaire pour charger sa capacité de sortie. Leur dissipation est donc quasiment nulle si la fréquence d’horloge est modérée ; cela permet le développement de circuits à piles ou batteries (téléphones ou ordinateurs portables, appareils photos ...)
Autres transistors:
- IGBT (insulated gate bipolar transistor) : Hybride qui a les caractéristiques d’un transistor à effet de champ en entrée et les caractéristiques d’un transistor bipolaire en sortie. Uniquement utilisé dans l’électronique de puissance.
- Transistor unijonction : Ce transistor est utilisé pour ses caractéristiques de résistance dynamique négative, ce qui permet de réaliser simplement un oscillateur. N’est plus utilisé de nos jours.
- Phototransistor : C’est un transistor bipolaire, dont la jonction base-collecteur est sensible à la lumière. Par rapport à une photodiode, il est plus sensible, car il bénéficie de l’effet amplificateur propre au transistor.
- L’opto-isolateur: Le phototransistor est monté dans le même boîtier qu’une diode électroluminescente. C’est la lumière qui assure la transmission des signaux entre le phototransistor et la diode électroluminescente. Le pouvoir d’isolation très élevée (de l’ordre de 5 KV) en fait le composant idéal pour isoler galvaniquement un circuit de commande, d’un circuit de puissance.
  - Il existe aussi des opto-isolateurs utilisant d’autres composants en sortie le thyristor, le triac.

[modifier] Évolution

Les premiers transistors avaient comme base le germanium. Ce matériau, de nouveau utilisé pour certaines applications, a vite été remplacé par le silicium plus résistant et plus souple d’emploi. Il existe aussi des transistors à l’arséniure de gallium utilisés en particulier dans le domaine de l’hyper-fréquence.

Les transistors à effet de champ sont principalement utilisés en amplification grand gain de signal de faible amplitude, très basse tension. Ils sont très sensibles aux décharges électrostatiques.

Les évolutions technologiques ont donné les transistors ou commutateurs MOS de puissance, ils sont de plus en plus utilisés dans toutes les applications de commutation de forte puissance, basse tension, vu qu’il n’ont presque plus de résistance de drain avec des capacités de courants très intéressantes.

[modifier] Emploi

Sauf dans le domaine des fortes puissances, il est rare de n’avoir qu’un transistor dans un boîtier (pour les fortes puissances on optera pour un montage Darlington, permettant d’obtenir un gain en courant plus important).

Les circuits intégrés ont permis d’en interconnecter d’abord des milliers, puis des millions. Le milliard de transistors sur un seul composant est prévu quelque part entre 2006 et 2010.

Ces circuits intégrés servent à réaliser des microprocesseurs, des mémoires, etc.