Transistor

Le transistor est le composant électronique actif essentiel en électronique utilisé essentiellement comme interrupteur commandé et pour l'augmentcation, mais également pour stabiliser une tension, moduler un signal mais aussi 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 sert à désigner un système semi-conducteur à trois électrodes actives qui permet le contrôle grâce à une électrode d'entrée (base pour les bipolaires et grille pour les Transistors à Effet de Champ ou Field Effect Transistor : 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 sert à désigner aussi les récepteurs radio équipés de transistors.

Historique

Le transistor a été découvert 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 reconnu comme un énorme progrès face au tube électronique : bien plus petit, léger, il est plus robuste, fonctionne avec des tensions faibles, autorisant une alimentation par piles, et il fonctionne 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 toujours 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 (2010).

Évolution du nombre de transistors intégrés dans un microprocesseur

Classification

Transistor bipolaire

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/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.

Transistor à unijonction

• Le transistor dit unijonction, n'est presque plus utilisé, mais servait à créer des oscillateurs à relaxation.

Technologie hybride

• L'IGBT, est un hybride de bipolaire et de MOSFET, essentiellement utilisé en électronique de puissance.

Applications

Les deux principaux types de transistors permettent de répondre aux besoins de l'électronique analogique, numérique, 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 essentiellement 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, par conséquent moins de distorsion.
• Un mélange des deux technologies est utilisé dans les IGBT.

Constitution

Les substrats utilisés vont du germanium (série AC, actuellement 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 tandis 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 semblablement (P ou N) scindées 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.

Les trois connexions sont nommées :

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 système est symétrique (drain et source sont échangeables). Les traits obliques sont généralement 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 (quelquefois nommé bulk), qui est généralement 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 surtout dans le domaine des hyperfréquences.

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

Les évolutions technologiques ont donné les transistors ou commutateurs MOS de puissance, ils sont de plus en plus utilisés dans l'ensemble des 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 par conséquent pas besoin de refroidissement (radiateurs).

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

Principe de fonctionnement

Les transistors MOS et bipolaires fonctionnent de façons particulièrement différentes :

• Le transistor bipolaire est un amplificateur de courant, on injecte un courant dans l'espace base/émetteur pour 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) ainsi qu'à jonction (JFET). Dans chaque famille, on peut utiliser soit un canal de type N soit de type P, ce qui fait par conséquent en tout six types différents.
  • Pour les transistors à déplétion mais aussi 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 quand 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 fluctuer 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 aussi 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 bien plus de courant. En effet, un circuit CMOS ne consomme du courant que lors des basculements. La consommation d'une porte CMOS correspond seulement à la charge électrique indispensable pour charger sa capacité de sortie. Leur dissipation est par conséquent presque 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. Seulement utilisé dans l'électronique de puissance.
  • Transistor unijonction : ce transistor est utilisé pour ses caractéristiques de résistance dynamique négative, ce qui sert à réaliser simplement un oscillateur. N'est plus utilisé aujourd'hui.
  • Phototransistor : c'est un transistor bipolaire, dont la jonction base–collecteur est sensible à la lumière. Comparé 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 particulièrement élevé (de l'ordre de 5 kV) en fait le composant parfait 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 en premier lieu 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 son 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, etc.

Notes

Voir aussi

Liens externes

• Transistor bipolaire
• Transistor à effet de champ (FET)
• Transistor MOS
• Transistor unijonction
• Armand Van Dormæl. "The French Transistor". Proceedings of the 2004 IEEE Conference on the History of Electronics, Bletchley Park, June 2004.  
• Michæl Riordan, «How Europe Missed the Transistor», dans IEEE Spectrum, vol.  42, n^o 11, November 2005, p.  52–57 (ISSN 0018-9235)  
• (en) ON Semiconductor Application Notes 1628 : Understanding Power Transistors Breakdown Parameters

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