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Transistor

Transistor NPN

Transistor MOSFET

Grandes lignes

Un transistor (nom provenant de l'anglais transfer resistor, résistance de transfert) est un semi-conducteur comportant deux régions de même conductibilité séparées par une très mince couche de conductibilité contraire.

• Le transistor constitue une exploitation ingénieuse de l'effet tunnel, bien que le mécanisme n'ait 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.
• Les premiers transistors furent à base de germanium' ils sont aujourd'hui majoritairement au silicium, matériau très abondant, c'est le constituant principal du sable.
• Le transistor est solide et monolithique, possède une fiabilité remarquable (tant qu'il ne chauffe pas trop), comparé aux anciens tubes à vide. Il remplaça vite les tubes dans beaucoup d'applications de faible puissance (postes de radio, par exemple).
• 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).

Description

Les trois connexions sont appelées :

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).

Types et Caractéristiques générales

Transistor bipolaire

Tension de seuil: base → émetteur / collecteur → émetteur

• Germanium: ~ 0.2 V
• Silicium : ~ 0.6 V

Transistor effet de champ

• Tension de seuil: grille → source 1 à 5V,
• Résistance drain / source 0,001 Ω à 1 kΩ

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.
    • Il existe aussi des opto-isolateurs utilisant d'autres composants en sortie le thyristor, le triac.

Evolution

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, il 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 intéressante.

Emploi

Sauf dans le domaine des fortes puissances, il est rare de n'avoir qu'un transistor dans un boîtier (pour les fortes puissance on optera pour un montage Darlington). 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 : 134 000 transistors
• 1985 : i386 : 275 000 transistors
• 1989 : i486 : 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 IV : 42 millions de transistors

Voir aussi : Loi de Moore

Historique

• L'effet transistor a été découvert en 1948 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 réalisé un dispositif voisin, le transistor à effet de champ. Son principe de fonctionnement est très différent du transistor à jonction, plus proche d'une triode (modulation de tensions). Il n'a été utilisé que 30 ans plus tard.
• Le transistor a constitué une invention déterminante sans laquelle l'informatique ne possèderait pas sa forme actuelle (2004); il a permis à la société de l'information électronique se développer.

Liens externes

• Transistor bipolaire
• Transistor à effet de champ (FET)