Transistor

Pour le jeu vidéo, voir Transistor.Le transistor est un composant électronique actif utili-

Quelques modèles de transistors.

sé :

• comme interrupteur dans les circuits logiques ;

• comme amplificateur de signal ;

• pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsique de nombreuses autres utilisations.

Un transistor est un dispositif semi-conducteur à troisélectrodes actives, qui permet de contrôler un courant (ouune tension) sur une des électrodes de sorties (le collecteurpour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor àeffet de champ) grâce à une électrode d'entrée (la basesur un transistor bipolaire et la grille pour un transistor àeffet de champ).

1 Étymologie

Le terme transistor provient de l’anglais transfer resistor(résistance de transfert). Il a été sélectionné par un comitédirecteur de vingt-six personnes des Bell Labs le 28 mai1948[1], parmi les noms proposés suivants : semiconduc-tor triode, surface states triode, crystal triode, solid triode,iotatron, transistor. Pour des raisons commerciales, il fal-lait un nom court, sans équivoque avec la technologie destubes électroniques, et le mot Transistor[réf. insuffisante] futretenu[2].

Par métonymie, le terme transistor désigne souvent lesrécepteurs radio équipés de transistors (originellement ap-pelés poste à transistors).

2 Historique

Une réplique du premier transistor.

Suite aux travaux sur les semi-conducteurs, le transistora été inventé le 23 décembre 1947 par les AméricainsJohn Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, cher-cheurs de la compagnie Bell Téléphone[3]. Ces chercheursont reçu pour cette invention le prix Nobel de physiqueen 1956.Le transistor est considéré comme un énorme progrèsface au tube électronique : beaucoup plus petit, plusléger et plus robuste, fonctionnant avec des tensionsfaibles, autorisant une alimentation par piles, et il fonc-tionne presque instantanément une fois mis sous tension,contrairement aux tubes électroniques qui demandaientune dizaine de secondes de chauffage, généraient uneconsommation importante et nécessitaient une source detension élevée (plusieurs centaines de volts).L'industrialisation vient dès le début des années 1950,sous l'impulsion de Norman Krim, vice-président deRaytheon. Il est rapidement assemblé, avec d'autres com-posants, au sein de circuits intégrés, ce qui lui permitde conquérir encore plus de terrain sur les autres formesd'électronique active.

1

2 5 DESCRIPTION SCHÉMATIQUE

3 Classification

3.1 Transistor bipolaire

Article détaillé : Transistor bipolaire.

Un transistor bipolaire est un dispositif électronique àbase de semi-conducteur dont le principe de fonctionne-ment est basé sur deux jonctions PN, l'une en direct etl'autre en inverse.

3.2 Transistor à effet de champ

Contrairement au transistor bipolaire la grille agit par ef-fet de champ (d'où son nom) et non par passage d'un cou-rant électrique.Article détaillé : Transistor à effet de champ.

Parmi les transistors à effet de champ (ou FET, pourField Effect Transistor), on peut distinguer les famillessuivantes :

• Transistors MOSFET : ils utilisent les propriétés desstructures Métal/Oxyde/Semi-conducteur ;

• Transistors JFET : ils utilisent les propriétés desjonctions PN.

3.3 Transistor à unijonction

Article détaillé : Transistor unijonction.

• Le transistor dit unijonction, n’est quasiment plusutilisé, mais servait à créer des oscillateurs àrelaxation.

3.4 Technologie hybride

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

3.5 Applications

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

• analogique,

• numérique,

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

• La technologie bipolaire est plutôt utilisée en analo-gique et en électronique de puissance.

• Les technologies FET et CMOS sont principale-ment utilisées en électronique numérique (réalisa-tion d'opérations logiques). Ils peuvent être utiliséspour faire des blocs analogiques dans des circuitsnumériques (régulateur de tension par exemple). Ilssont aussi utilisés pour faire des commandes de puis-sance (moteurs) et pour l'électronique haute tension(automobile). Leurs caractéristiques s’apparententplus à celles des tubes électroniques. Ils offrent unemeilleure linéarité dans le cadre d'amplificateurs Hi-Fi, donc moins de distorsion.

• Un mélange des deux technologies est utilisé dansles IGBT.

4 Constitution

Les substrats utilisés vont du germanium (série AC, au-jourd’hui obsolète), en passant par le silicium, l’arséniurede gallium, le silicium-germanium et plus récemment lecarbure de silicium, le nitrure de gallium, l'antimoniured'indium.Pour la grande majorité des applications, on utilise lesilicium alors que les matériaux plus exotiques tels quel'arséniure de gallium et le nitrure de gallium sont plu-tôt utilisés pour réaliser les transistors hyperfréquence etmicro-onde.

• Un transistor bipolaire se compose de deux partiesde substrat semiconducteur dopées identiquement(P ou N) séparées par une mince tranche de se-miconducteur dopée inversement ; on a ainsi deuxtypes : N-P-N et P-N-P.

• Le transistor à effet de champ classiquement se com-pose d’un barreau de semiconducteur dopé N(ou P),et entouré en son milieu d’un anneau de semiconduc-teur dopé inversement P(ou N). On parle de FET àcanal N ou P suivant le dopage du barreau.

• Le transistor MOS se compose d’un barreau de se-miconducteur P ou N sur lequel on fait croîtrepar épitaxie une mince couche d’isolant (silice parexemple), laquelle est surmontée d’une électrodemétallique.

5 Description schématique

Les trois connexions sont appelées :Dans les deux types de transistors bipolaires, l'électrodetraversée par l'ensemble du courant s’appelle l'émetteur.Le courant dans l'émetteur est égal à la somme des cou-rants du collecteur et de la base.

3

BC

ENPN

G

S

D

MOSFET

La flèche identifie l’émetteur et suit le sens du courant ;elle pointe vers l'extérieur dans le cas d’un NPN, versl'intérieur dans le cas d'un PNP. L’électrode reliée au mi-lieu de la barre centrale figure la base et la troisième élec-trode figure le collecteur.Dans le cas de l’effet de champ, la flèche disparaît, carle dispositif est symétrique (drain et source sont échan-geables). Les traits obliques sont habituellement rempla-cés par des traits droits.

Pour le transistor MOS, la grille se détache des autresélectrodes, pour indiquer l’isolation due à la présence del’oxyde.En réalité, il existe une quatrième connexion pour lestransistors à effet de champ, le substrat (parfois appe-lé bulk), qui est habituellement relié à la source (c’est laconnexion entre S et les deux traits verticaux sur le sché-ma).

6 Évolution

Les premiers transistors avaient comme base legermanium. Ce matériau, de nouveau utilisé pourcertaines applications, a vite été remplacé par le siliciumplus résistant, plus souple d’emploi, moins sensible à latempérature. Il existe aussi des transistors à l’arséniurede gallium utilisés en particulier dans le domaine deshyperfréquences.Les transistors à effet de champ sont principalement uti-lisés en amplification grand gain de signal de faible am-plitude, très basse tension. Ils sont très sensibles aux dé-charges électrostatiques.Les évolutions technologiques ont donné les transistors oucommutateurs MOS de puissance, ils sont de plus en plusutilisés dans toutes les applications de commutation deforte puissance (classe D), basse tension, vu qu’ils n’ontpresque plus de résistance de drain contrairement auxtransistors, ils ne s’échauffent pas et n'ont donc pas be-soin de refroidissement (radiateurs).Le graphène, nouveau matériau très prometteur et perfor-mant, pourrait remplacer le silicium dans les transistorsde future génération.

7 Principe de fonctionnement

Les transistors MOS et bipolaires fonctionnent de façonstrès différentes :

• Le transistor bipolaire est un amplificateur decourant, on injecte un courant dans l’espacebase/émetteur afin de créer un courant multiplié parle gain du transistor entre l’émetteur et le collecteur.

• Les transistors bipolaires NPN (négatif-positif-négatif) qui laissent circuler uncourant de la base (+) vers l’émetteur (–),sont plus rapides et ont une meilleure tenueen tension que les transistors PNP base (–)émetteur (+), mais peuvent être produits avecdes caractéristiques complémentaires par lesfabricants pour les applications le nécessitant.

• Le transistor à effet de champ. Son organe decommande est la grille (gate en anglais). Celle-ci n’a

4 7 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Analyseur de transistors.

besoin que d’une tension (ou un potentiel) entre lagrille et la source pour contrôler le courant entre lasource et le drain. Le courant de grille est nul (ounégligeable) en régime statique, puisque la grille secomporte vis-à-vis du circuit de commande commeun condensateur de faible capacité.

• Il existe plusieurs types de transistors à effet dechamp : transistors à déplétion, à enrichisse-ment (de loin les plus nombreux) et à jonction(JFET). Dans chaque famille, on peut utilisersoit un canal de type N soit de type P, ce quifait donc en tout six types différents.

• Pour les transistors à déplétion ainsi que lesJFET, le canal drain–source est conducteur sile potentiel de grille est nul. Pour le bloquer,il faut rendre ce potentiel négatif (pour les ca-naux N) ou positif (pour les canaux P).

• Inversement, les transistors à enrichissementsont bloqués lorsque la grille a un potentiel nul.Si on polarise la grille d’un transistor N par unetension positive ou celle d’un transistor P parune tension négative, l’espace source–drain dutransistor devient passant.

• Chacun de ces transistors est caractérisé parune tension de seuil, correspondant à la tensionde grille qui fait la transition entre le compor-tement bloqué du transistor et son comporte-ment conducteur. Contrairement aux transis-tors bipolaires, dont la tension de seuil ne dé-pend que du semi-conducteur utilisé (silicium,germanium ou As-Ga), la tension de seuil des

transistors à effet de champ dépend étroite-ment de la technologie, et peut varier notable-ment même au sein d’un même lot. Le transis-tor à effet de champ à déplétion à canal N estle semi-conducteur dont les caractéristiques serapprochent le plus des anciens tubes à vide(triodes). À puissance égale, les transistors Nsont plus petits que les P. À géométrie égale,les transistors N sont également plus rapidesque les P. En effet, les porteurs majoritairesdans un canal N sont les électrons, qui se dé-placent mieux que les trous, majoritaires dansun canal P. La conductivité d'un canal N estainsi supérieure à celle d'un canal P de mêmedimension.

• La plupart des circuits intégrés numériques(en particulier les microprocesseurs) utilisentla technologie CMOS qui permet d'intégrer àgrande échelle (plusieurs millions) des transis-tors à effet de champ (à enrichissement) com-plémentaires (c’est-à-dire qu’on retrouve desN et des P). Pour une même fonction, l’inté-gration de transistors bipolaires consommeraitbeaucoup plus de courant. En effet, un circuitCMOS ne consomme du courant que lors desbasculements. La consommation d'une porteCMOS correspond uniquement à la chargeélectrique nécessaire pour charger sa capacitéde sortie. Leur dissipation est donc quasimentnulle si la fréquence d’horloge est modérée ;cela permet le développement de circuits àpiles ou batteries (téléphones ou ordinateursportables, appareils photo...).

• Autres transistors :

• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) : hy-bride qui a les caractéristiques d’un transistor àeffet de champ en entrée et les caractéristiquesd’un transistor bipolaire en sortie. Uniquementutilisé dans l’électronique de puissance.

• Transistor unijonction : ce transistor est utili-sé pour ses caractéristiques de résistance dyna-mique négative, ce qui permet de réaliser sim-plement un oscillateur. N’est plus utilisé de nosjours.

• Phototransistor : c’est un transistor bipolaire,dont la jonction base–collecteur est sensible àla lumière. Par rapport à une photodiode, il estplus sensible, car il bénéficie de l’effet ampli-ficateur propre au transistor.

• L’opto-isolateur : le phototransistor est mon-té dans le même boîtier qu’une diode électro-luminescente. C’est la lumière qui assure latransmission des signaux entre le phototransis-tor et la diode électroluminescente. Le pouvoird’isolation très élevé (de l’ordre de 5 kV) en

10.2 Liens externes 5

fait le composant idéal pour isoler galvanique-ment un circuit de commande, d’un circuit depuissance.• Il existe aussi des opto-isolateurs utili-

sant d’autres composants en sortie tels lethyristor, le triac.

8 Emploi

Sauf dans le domaine des fortes puissances, il est deve-nu rare de n’avoir qu’un seul transistor dans un boîtier(pour les fortes puissances, on optera pour un montageDarlington, permettant d’obtenir un gain en courant plusimportant).Les circuits intégrés ont permis d’en interconnecterd’abord des milliers, puis des millions. L'intégration deplus d'un milliard de transistors sur un seul composant aété atteinte en juin 2008 par Nvidia avec la GT200. Lapuce, utilisée comme processeur graphique (GPU) atteint1,4 milliard de composants électriques gravés en 65 na-nomètres, sur une surface d'environ 600 mm2.Ces circuits intégrés servent à réaliser desmicroprocesseurs, des mémoires, par exemple.

9 Notes et références[1] mémo 48-130-10

[2] voir “Prononc. et Orth. :", sur le site cnrtl.fr, consulté le 9juin 2015

[3] Comme souvent en histoire des sciences, la paternité decette découverte est parfois remise en cause, pour être at-tribuée à Julius Edgar Lilienfeld qui, en 1925, avait déjàdécouvert le principe du transistor à effet de champ. Ce-pendant, Bardeen, Shockley et Brattain restent universel-lement reconnus comme les pères de cette invention.

10 Annexes

10.1 Articles connexes

• Transistor Darlington

• IGBT

• Transistor JFET

• Transistor bipolaire

• MOSFET

• EOSFET

• Loi de Moore

• TRADIC, premier ordinateur à transistors

10.2 Liens externes

• Transistor bipolaire

• Transistor à effet de champ (FET)

• Transitor à effet de champ à grille isolée -TransistorM.O.S.

• [PDF] Transistor unijonction

• (de) (en) (fr) [PDF] (en) Armand Van Dormael.« The French Transistor » Proceedings of the 2004IEEE Conference on the History of Electronics, Blet-chley Park, June 2004.

• (en) Michael Riordan, « How Europe Missed theTransistor », IEEE Spectrum, vol. 42, no 11, no-vembre 2005, p. 52–57 (ISSN 0018-9235)

• (en) [PDF] ON Semiconductor Application Notes1628 : Understanding Power Transistors BreakdownParameters

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6 11 SOURCES, CONTRIBUTEURS ET LICENCES DU TEXTE ET DE L’IMAGE

11 Sources, contributeurs et licences du texte et de l’image

11.1 Texte• Transistor Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor?oldid=115926207 Contributeurs : Shaihulud, Hashar, Med, COLETTE, Pa-

noramix, Fab97, Hemmer, Orthogaffe, Céréales Killer, Kelson, SimonP, Alno, Howard Drake, Greudin, HasharBot, Rege, Raph, Jarillon,Zubro, Pulsar, Koyuki, Sts~frwiki, Niarlotep, Sebjarod, Manu fred, Verdy p, Jastrow, Sanao, Phe, Genius~frwiki, Marc Mongenet, Med-Bot, Sarex, Luna04, Sam Hocevar, Iznogood, Oblic, Anarkman, Xmlizer, Francois Trazzi, Phe-bot, Turb, François-Dominique, Dom-sau2, YannTech, Ollamh, Woww, François-Dominique2, Baf, Xtalbot, Chris a liege, Poleta33, Oliviosu, Kyle the hacker, Poulpy, PivWan,²°¹°°, P.loos, Pixeltoo, MickaëlG, Labé, Leag, HybridTheory2, Yurik, Diderobot, NicolasDandrimont, DocteurCosmos, MisterMatt Bot,JKHST65RE23, Chobot, Gribeco, GôTô, PNLL, Palica, Romanc19s, David Berardan, Nykozoft, ArséniureDeGallium, Inisheer, Minifig,Arnaud.Serander, EyOne, Slasher-fun, MagnetiK, Liquid 2003, RobotQuistnix, DC2, EDUCA33E, YurikBot, Jacques D., Eskimbot, Ge-hel, Guillom, Ico, Litlok, 16@r, Chaps the idol, Loveless, Floflo, MagnetiK-BoT, Sitelec, Jackoboss, Lucien Duval, Barbichette, Markov,Rapha222, Oxo, Mith, Freewol, Pautard, Michka B, Fidoda, Xofc, Esprit Fugace, SashatoBot, Jmax, Pld, Malta, Kingbastard, M LA, Liquid-aim-bot, Mayerwin, Vdegroot, Zen 38, Stephane.lecorne, Rhadamante, PerOX, NicoV, Daniel*D, Gmt, Grimlock, A2, Givet, Escarbot,El Diablo~frwiki, Kropotkine 113, Anne97432, Rémih, Deep silence, Le Pied-bot, JAnDbot, Yves-Laurent, Zedh, Thesupermat, Jihaim,Sebleouf, Consulnico, Zawer, Neam81g, Analphabot, Rei-bot, Jotun, Salebot, GabHor, Speculos, Zorrobot, DodekBot~frwiki, Idioma-bot, TXiKiBoT, VolkovBot, Chicobot, Melkor73, Moyg, Synthebot, Ptbotgourou, Mathématicien joyeux, Cjp24, AlleborgoBot, Gz260,GwenofGwened, SieBot, Binabik, Inigode, JLM, Berpi, Kyro, Catalysebot, Looler, Vlaam, FitzSai, ToePeu.bot, Balougador, PixelBot,Sylvainm86, BOTarate, AgatheD, HerculeBot, MicroCitron, Armael, Ccmpg, Obscurs, Haydenantho, CarsracBot, Géodigital, Luckas-bot, LogicBloke, GrouchoBot, Lilielletune, Archimëa, Martyn~frwiki, ArthurBot, Le sourcier de la colline, Xqbot, Reclame, JackBot,Coyote du 57, Lomita, TobeBot, AstaBOTh15, Visite fortuitement prolongée, PhoenixKami, EmausBot, Kilith, ZéroBot, WikitanvirBot,ChuispastonBot, Jules78120, TheWize, Léo Duval, MerlIwBot, LoveBot, TRINITAS, OrlodrimBot, DG-IRAO, Vagobot, Pano38, Dojada,MacGeek, Mass11596, Fzr~frwiki, DiliBot, Addbot, Thibaut120094, Do not follow et Anonyme : 213

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