Transistor


Transistor
Quelques modèles de transistors.

Le transistor est un composant électronique actif utilisé :

  • Comme interrupteur dans les circuits logiques ;
  • Comme amplificateur de signal ;
  • Pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations.

Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives, qui permet de contrôler un courant (ou une tension) sur une des électrodes de sorties (le collecteur pour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor à effet de champ) grâce à une électrode d'entrée (la base sur un transistor bipolaire et la grille pour un transistor à effet de champ).

Le terme transistor provient de l’anglais transfer resistor (résistance de transfert). Il a été sélectionné par un comité directeur de vingt-six personnes des Bell Labs le 28 mai 1948 (mémo 48-130-10), parmi les différents 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 retenu.

Par métonymie, le terme transistor désigne aussi les récepteurs radio équipés de transistors (originellement appelés poste à transistors).

Sommaire

Historique

Une réplique du premier transistor.

Suite aux travaux sur les semi-conducteurs, le transistor a été inventé le 23 décembre 1947 par les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Téléphone[1]. Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.

Le transistor est considéré comme un énorme progrès face au tube électronique : beaucoup plus petit, plus léger et plus robuste, fonctionnant avec des tensions faibles, autorisant une alimentation par piles, et il fonctionne presque quasi instantanément une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage, généraient une consommation importante et nécessitaient une source de tension élevée (plusieurs centaines de volts).

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 actuelles ne pourraient pas exister sous leur forme actuelle.

Classification

Transistor bipolaire

Article détaillé : Transistor bipolaire.

Transistor à effet de champ

Contrairement au transistor bipolaire la grille agit par effet de champ (d'ou son nom) et non par passage d'un courant electrique.

Article détaillé : Transistor 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/Semi-conducteur ;
  • 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.

Transistor à unijonction

Article détaillé : Transistor unijonction.
  • Le transistor dit unijonction, n’est quasiment plus utilisé, mais servait à créer des oscillateurs à relaxation.

Technologie hybride

Applications

Les deux principaux types de transistors permettent de répondre aux besoins de l'électronique:

Et a ceux de l'électronique de puissance et haute tension.

  • La technologie bipolaire est plutôt utilisée en analogique et en électronique de puissance.
  • Les technologies FET et CMOS sont principalement utilisées 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 le cadre d'amplificateurs Hi-Fi, donc moins de distorsion.
  • Un mélange des deux technologies est utilisé dans les IGBT.

Constitution

Les substrats utilisés vont du germanium (série AC, aujourd’hui obsolète), en passant par le silicium, l’arséniure de gallium, le silicium-germanium et plus récemment le carbure de silicium, le nitrure de gallium, l'antimoniure d'indium.

Pour la grande majorité des applications, on utilise le silicium alors que les matériaux plus exotiques tels que l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium sont plutôt utilisés pour réaliser les transistors hyperfréquence et micro-onde.

  • Un transistor bipolaire se compose de deux parties de substrat semiconducteur 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.

Description schématique

NPN
MOSFET

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).

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, plus souple d’emploi, moins sensible à la température. Il existe aussi des transistors à l’arséniure de gallium utilisés en particulier dans le domaine des hyperfréquences.

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 (classe D), basse tension, vu qu’ils n’ont presque plus de résistance de drain contrairement aux transistors, ils ne s'échauffent pas et n'ont donc pas besoin de refroidissement (radiateurs).

Le graphène, nouveau matériau très prometteur et performant, pourrait remplacer le silicium dans les transistors de future génération.

Principe de fonctionnement

Analyseur de transistors.

Les transistors MOS et bipolaires 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 NPN (négatif-positif-négatif) qui laissent circuler un courant de la base (+) vers l’émetteur (–), sont plus rapides et ont une meilleure tenue en tension que les transistors PNP 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 : 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 photo...).
  • 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 élevé (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 tels le thyristor, le triac.

Emploi

Sauf dans le domaine des fortes puissances, il est devenu rare de n’avoir qu’un seul 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. L'intégration de plus d'un milliard de transistors sur un seul composant a été atteinte en juin 2008 par Nvidia avec la GT200. La puce, utilisée comme processeur graphique (GPU) atteint 1,4 milliard de transistors gravés en 65 nanomètres, sur une surface d'environ 600 mm².

Ces circuits intégrés servent à réaliser des microprocesseurs, des mémoires, par exemple.

Évolution du nombre de transistors intégrés dans un microprocesseur

Processeurs grand public :

Domaine graphique :

  • 2006 : G80 (Nvidia) : 681 millions
  • 2007 : POWER6 (IBM) : 291 millions
  • 2008 : GT200 (Nvidia) : 1,4 milliard
  • 2008 : RV770 (ATi) : 965 millions
  • 2009 : RV870 (ATi) : 2,15 milliards (Radeon HD 5900)
  • 2009 : GT300 (Nvidia) : 2,4 milliards
  • 2010 : GT400 (Nvidia) : 3 milliards

Serveurs :

Notes et références

  1. Comme souvent en histoire des sciences, la paternité de cette découverte est parfois remise en cause, pour être attribuée à Julius Edgar Lilienfeld qui, en 1930, avait déjà déposé un brevet concernant le principe du transistor à effet de champ. Cependant, Bardeen, Shockley et Brattain restent universellement reconnus comme les pères de cette invention.

Annexes

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