Transistor
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Généralités
Le transistor est le composant électronique actif fondamental de l'électronique moderne.
- Le terme transistor provient de l’anglais transfer resistor (résistance de transfert.)
- Il désigne un dispositif semi-conducteur à trois ou quatre électrodes selon son type.
- Ils permettent 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 (émetteur pour les bipolaires et drain pour les FET).
Par extension, le terme transistor désigne également les récepteurs radio équipés de transistors.
Les différents types de transistors
Il existe deux principaux types de transistors :
- Les transistors bipolaires ;
- Les transistors à effet de champ (ou FET pour Field Effect Transistor). Parmi les FET, on peut distinguer les familles suivantes :
Il existe d'autres types de transistors :
- 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.
Les 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.
Constitution
- 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), laquelle est surmontée d’une électrode métallique.
Les substrats utilisés vont du germanium (série AC, aujourd’hui obsolète), en passant par le silicium, majoritaire, l’arsénure de gallium et le silicium-germanium pour les transistors UHF et micro-onde.
- Le transistor constitue une exploitation ingénieuse des propriétés physique des semi-conducteurs, principalement des propriétés des électrons dans ces matériaux. Ces mécanismes n’ont été compris qu’après son invention en 1948, suite aux investigations menées par des chercheurs des laboratoires Bell pour expliquer le pouvoir redresseur de la galène.
- Le transistor est solide et monolithique, possède une fiabilité remarquable tant qu’il ne chauffe pas trop, comparé aux anciens tubes électroniques (aussi appelés tubes à vide ou lampes). Il remplaça vite les tubes dans beaucoup d’applications de faible puissance (postes de radio).
- Dix ans après son invention, on le créditait de cent mille heures de fonctionnement... alors que cette durée ne s’était pas même écoulée depuis sa découverte ! (source : Le transistor ? Mais c’est très simple, E. Aisberg).
Historique
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.
En 1930, Lilienfeld avait déjà déposé un brevet concernant le principe du transistor à effet de champ.
Le transistor a constitué une invention déterminante sans laquelle l'électronique et l'informatique ne possèderaient pas leurs formes actuelles (2005); il a permis à la société de l’information électronique de se développer.
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.
Description schématique
Les trois connexions sont appelées :
| transistors dits « 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 lui dans le cas d’un NPN, elle s’en éloigne dans le cas du 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).
Principe de fonctionnement
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 un capacité entre la grille et le substrat.
En général, on relie la source à la masse, ainsi que le substrat. On porte le drain a 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 controle 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).
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.
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.
- 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: technologie de déplétion, d'enrichissement (de loin les plus nombreux) et, de jonction (JFET). Chaque famille se divise en canaux N et P, ce qui fait 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 plus rapides que les P. Cela est dû à une plus grande conductivité électrique des transistors de type N.
- La plupart des circuits intégrés digitaux (microprocesseurs entre autres) utilisent la technologie C-MOS qui intègre 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. Un circuit C-MOS ne consomme quasiment rien si la fréquence d’horloge est modérée, ce qui 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 boitier 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.
Évolution
Les premiers transistors avait comme base le germanium. Ce matériau, de nouveau utilisé pour certaines applications, avait été vite 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 étaient principalement utilisés en amplification grand gain de signal de faible amplitude, très basse tension. Ils étaient très sensibles aux décharges électrostatique.
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.
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 2005 et 2010.
Ces circuits intégrés servent à réaliser des microprocesseurs, des mémoires, etc.
Quelques jalons (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 4 EE : 169 millions de transistors
