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 pour de nombreuses autres applications.
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).
C'est un composant fondamental des appareils électroniques.
Étymologie
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, 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, et le mot Transistor fut retenu.
Par métonymie, le terme transistor désigne souvent les récepteurs radio équipés de transistors (originellement appelés poste à transistors).
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 des Laboratoires Bell. Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.
Herbert Mataré et Heinrich Welker (en) développent à Aulnay-sous-Bois, à la CFSW le premier « transistor français » réellement opérationnel en même temps et indépendamment des travaux des chercheurs américains, entre 1945 et 1948. Ils déposent leur première demande de brevets pour un transistor le 13 août 1948. Le 18 mai 1949, cette invention européenne est présentée au public sous le nom de « Transistron ».
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 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).
L'industrialisation vient dès le début des années 1950, sous l'impulsion de Norman Krim, vice-président de Raytheon et d'Herbert Mataré qui fonde Intermetall à Düsseldorf, la première compagnie au monde à proposer sur le marché des diodes et des transistors.
Il est 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.
Classification
Transistor bipolaire
Un transistor bipolaire est un dispositif électronique à base de semi-conducteur dont le principe de fonctionnement est basé sur deux jonctions PN, l'une en direct et l'autre en inverse.
Transistor à effet de champ
Contrairement au transistor bipolaire la grille agit par effet de champ (d'où son nom) et non par passage d'un courant électrique.
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.
Transistor à unijonction
Le transistor dit unijonction, n’est quasiment plus utilisé, mais servait à créer des oscillateurs à relaxation.
Technologie hybride
L'IGBT, est un hybride de bipolaire et de MOSFET, principalement utilisé en électronique de puissance.
Applications
Les deux principaux types de transistors permettent de répondre 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 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
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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
Dans les deux types de transistors bipolaires, l'électrode traversée par l'ensemble du courant s'appelle l'émetteur. Le courant dans l'émetteur est égal à la somme des courants du collecteur et de la base.
La flèche identifie l’émetteur et suit le sens du courant; elle pointe vers l'extérieur dans le cas d’un NPN, vers l'intérieur dans le cas d'un PNP. L’électrode reliée au milieu de la barre centrale figure la base et la troisième 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.
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...).
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.
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.
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 composants électriques gravés en 65 nanomètres, sur une surface d'environ 600 mm.
Ces circuits intégrés servent à réaliser des microprocesseurs, des mémoires, par exemple.
1971 : 4004 : 2 300
1978 : 8086 : 29 000
1982 : 80286 : 134 000
1985 : 80386 : 275 000
1989 : 80486 : 1,16 million
1993 : Pentium/Pentium MMX : 3,1 millions
1995 : Pentium Pro : 5,5 millions
1997 : Pentium II : 27 millions
1997 : K6 : 8,8 millions
1998 : K6-II : 9,3 millions
1999 : Athlon : 37 millions
2001 : Pentium 4 HT : 42 millions
2001 : Athlon XP-Duron Palomino/Thoroughbred/Thorton/Barton-Spitfire/Morgan/Applebred : 37.2 millions
2003 : Athlon ** ClawHammer : 105,9 millions
2004 : Pentium Extreme Edition : 169 millions
2004 : Athlon ** Newcastle : 68,5 millions
2004 : Athlon ** Winchester : 77 millions
2005 : Athlon ** Venice : 76 millions
2005 : Athlon **/Athlon ** X2 Manchester/Toledo : 233 millions
2006 : Core 2 Duo : 291 millions
2006 : Core 2 Quad : 582 millions
2006 : Athlon **/Athlon ** X2 Windsor : 227 millions
2006 : Athlon ** X2/Athlon X2/Sempron Brisbane : 221 millions
2008 : Core i7 Bloomfield : 730 millions
2008 : Phenom X4/X3/Athlon X2 Agena/Toliman/Kuma: 450 millions
2009 : Core i7/i5 Lynnfield : 774 millions
2010 : Core i5/i3/Pentium G Clarkdale : 382 millions
2010 : Core i7 Gulftown : 1,17 milliard
2010 : Phenom II X4/X3/X2-Athlon II X4/X3/X2: Deneb/Heka/Callisto-Propus/Rana/Regor : 758 millions
2011 : Core i7/i5/i3/Pentium G Sandy bridge : 1,16 milliards (i7 et i5) - 504 millions (i3 et Pentium G)
2012 : Core i7 Sandy Bridge-E : 2,27 milliards
2012 : Core i7/i5/i3/Pentium G Ivy Bridge : 1,40 milliard
2012 : FX-4100/6100/8100 Zambezï (Buldozer) : 1,20 milliard
2012 : FX-4300/6300/8300 Vishera : 1,20 milliard
2013 : FX-9590 Vishera : 1,6 milliard
2014 : Core i7 Haswell : 2,6 milliards
1997 : SST-1 (3Dfx Voodoo 1) : 1 million
1998 : SST-2 (3Dfx Voodoo 2) : 4 millions
1998 : NV4 (Nvidia TNT) : 7 millions
1998 : Rage 5 (ATI Rage 128) : 8 millions
1999 : NV5 (Nvidia TNT2) : 15 millions
1999 : Avenger (3Dfx Voodoo 3) : 3 millions
1999 : G4+ (Matrox Millenium) : 9 millions
1999 : NV10 (Nvidia GeForce256) : 23 millions
2000 : NV15 (Nvidia GeForce2) : 25 millions
2000 : R100 (ATI Radeon 7500) : 30 millions
2000 : VSA-100 (3Dfx Voodoo 4/5) : 14 millions
2001 : NV20 (Nvidia GeForce3 Ti) : 57 millions
2001 : R200 (ATI Radeon 8500) : 60 millions
2003 : NV28 (Nvidia GeForce4 Ti) : 63 millions
2003 : R360 (ATI Radeon 9800) : 115 millions
2003 : NV35 (Nvidia GeForce FX5900) : 135 millions
2004 : R480 (ATI Radeon X850) : 160 millions
2004 : NV40 (Nvidia GeForce 6800) : 222 millions
2005 : G71 (Nvidia GeForce 7900) : 278 millions
2005 : R580 (ATI Radeon X1950) : 384 millions
2006 : G80 (Nvidia GeForce 8800) : 681 millions
2006 : G92 (Nvidia GeForce 9800) : 754 millions
2006 : R600 (ATI Radeon HD2900) : 700 millions
2007 ! RV670 (ATI Radeon HD3800) : 666 millions
2007 : POWER6 (IBM) : 291 millions
2008 : GT200 (Nvidia GeForce GTX200) : 1,40 milliard
2008 : RV770 (ATI Radeon HD4800) : 956 millions
2009 : RV870 (ATI Radeon HD5800/5900) : 2,154 milliards
2010 : GF100 (Nvidia GeForce GTX400) : 3,00 milliards
2011 : RV970 (ATI Radeon HD6900) : 2,** milliards
2011 : GF110 (Nvidia GeForce GTX500 : 3,00 milliards
2012 : RV1070 (ATI Radeon HD7900) : 4,313 milliards
2012 : GK104 (Nvidia GeForce GTX600) : 3,54 milliards
2013 : GK110 (Nvidia GeForce GTX Titan et 780 ti) : 7,10 milliards
2014 : Hawaii (AMD Radeon R9 290X) : 6,2 milliards
2014: GM204 (Nvidia GTX 980) : 5,2 milliards
1993 : IBM POWER2 : 15 millions
1998 : IBM POWER3 : 15 millions
2001 : IBM POWER4 : 174 millions
2004 : IBM POWER5 : 276 millions
2007 : IBM POWER6 : 790 millions
2008 : SPARC** VII : 600 millions
2010 : IBM POWER7 : 1,2 milliard
2010 : Xeon (8 cœurs) : 2,3 milliards
2015 : Xeon (18 cœurs) : 5,6 milliards
词典释义：
管；
极管
管
管
收音机旁听他们讲话。(勒克莱齐奥)
管收音机，半导
收音机
收音机
管； 
极管； 半导
收音机
管
管
管
管
极管
管， 面结型
极管
敏
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