Les Transistors

1. 1. Description

Le transistor (inventé en 1948 par les physiciens américains John Bardeen, Walter Houser Brattain et William Shockley) a remplacé, pratiquement partout, le tube électronique. C?est celui dont les processus de fabrication ont été les premiers à être dominés industriellement. Il a pour inconvénient majeur une consommation relativement importante, ce qui limite la densité d?intégration. Formé par l'association de deux jonctions P-N placées en opposition (transistor N-P-N ou P-N-P), il contrôle le déplacement de charges électriques à travers les jonctions, entre un émetteur et un collecteur, le contrôle étant assuré par une troisième électrode appelée base.

1.2.Symboles

1.3.Unités ; Formules

Comme une diode , le transistor utilise les propriétés des semi-conducteurs qui le compose ( silicium et anciennement le germanium ).

Un transistor comprend 3 éléments :

- l' Émetteur E qui émet les électrons
- le Collecteur C qui recueille les électrons
- la Base B qui contrôle le passage des électrons entre E et C

Quelle que soit l?application, on distinguera toujours, lors de l?étude du fonctionnement d?un transistor, la partie commande ( base ) et la partie effet de la commande (collecteur , émetteur ).

1.3.1.Modes de Fonctionnements d' un transistors NPN

Pour faire fonctionner un transistor il faut le polariser , c'est a dire qu' on lui applique des tensions différentes sur ces broches E,B,C .

Pour un transistor NPN :

Pour une tension Vce constante , si Vbe varie alors Ib varie suivant une courbe analogue aux caractéristiques d' une diode .Cela donne la caractéristique d' entrée Ib( Vbe ) :

1.3.1.1.Etat bloqué :

Si le transistor est polarisé en inverse Veb , aucun courant ne circule dans le transistor et il est bloqué .De même si la tension Vbe est inférieur à la tension de seuil du transistor ou si le courant de base est à zero , le transistor se comporte comme un circuit ouvert de telle sorte que le collecteur est isolé de l'émetteur.

1.3.1.1.Etat saturé :

En saturation, les deux jonctions du transistor conduisent

Ib > Ibsat
Vce = Vcesat
Ic > 0

La caractéristique de sortie à Ib constant donne aussi dans sa partie linéaire la caractéristique de transfert Ic ( Ib ) et permet de déterminer le gain ou l'amplification en courant du transistor ß ( bêta )

Ic = ß Ib et de plus Ie = Ic + Ib et Vce = Vcb + Vbe

Le transistor est bloqué lorsque ses deux jonctions sont en polarisation inverse (voir fig. 12).

Le transistor est en fonctionnement normal direct lorsque la jonction de commande BE est en polarisation directe et que la jonction BC est en polarisation inverse (voir fig. 12).

Le transistor est en fonctionnement normal inverse lorsque la jonction de commande BE est en polarisation inverse et que la jonction BC est en polarisation directe (voir fig. 12).

Le transistor est saturé lorsque ses deux jonctions sont en polarisation directe (voir fig. 12).

Figure 12: fonctionnements

1.3.2 Les montages

Exemple : I_E = 6.06 mA.; I_B = 60 µA., I_C = 6.00 mA.

a) Montage Base Commune (BC)

b) montage émetteur commun (EC)

c) montage collecteur commun (CC)

1.4.Valeurs

Les valeurs des transistors sont inscrittent dessus sous forme de codes , il existe une multitude de transistors sous de nombreuses formes ou " boîtier " désignant le type d' en capsulage d' un transistor et en fin il y a des brochages différents pour un même boîtier .Au fil des ans , les fabricants ont commercialisé probablement plus de 100 000 transistors portant des noms distincts .Devant la prolifération des codes maison quelques normes ont été créées afin de standardiser le marché .

1.4.1.Standart USA Codage JEDEC

Le codage JEDEC ( Joint Electron Device Engineering Council ) né de l'organisation américaine EIA a ouvert un catalogue enregistrant les composants préfixés par 1N pour les diodes et 2N pour les transistors , thyristors et triacs .En fait la lettre est toujours N, le chiffre est égal au nombre de broches moins un ou au nombre de jonctions dont dispose le circuit .

Cette codification prend la forme chiffre, lettre, numéro de série, [suffixe].

Exemples de transistors : 2N2222A ,2N3055 ETC..

Le chiffre .La lettre N .Le numéro de série compris entre 100 et 9999 ne signifie rien de particulier si ce n'est une idée de la date d'introduction du circuit. Le suffixe (optionnel) indique le groupe de gain (hfe) du circuit
A = Faible gain
B = Gain médium
C = Gain élevé
l'absence de suffixe signifie un gain quelconque. 

1.4.2.Standart Europe Pro Electron

L' Association internationale Pro Électron a créé le même type de catalogue d' enregistrement mais le codage est différent , la premier lettre désigne le type de matériaux et la deuxième lettre designer la fonction puis vient le n° de série avec une lettre en plus suivant le gain du transistor .

1.4.3.Standart Japonais JIS

L' organisme Japonais Japanese industrial standards ( JIS ) a réalisé un mixage des deux méthodes précédentes , les noms des transistors sont préfixés par le code 2S suivi par une lettre puis le numéro de série .

Exemple de transistor : 2SD1972 ..Sur le composant l' inscription est D1972

SE: Diodes
SF: Thyristors
SG: Gunn
SH: UJT - Unijonction
SJ: P-channel FET/MOSFET
SK: N-channel FET/MOSFET
SM: Triac
SQ: LED
SR: Rectifier
SS: Diodes Signal
ST: Diodes Avalanche
SV: Varicaps
SZ: Diodes Zener

En ANNEXE

A l'exception de JEDEC, les fabricants aux normes JIS et Pro-electron introduisent souvent leur propres types pour des raisons commerciales (par exemple afin de placer leur nom dans la référence du circuit). Les préfixes de marque les plus communs sont:

MJ: Motorola , puissance boîtier métal
MJE: Motorola, puissance boîtier plastique
MPS: Motorola faible puissance boîtier plastique
MRF: Motorola transistors HF, VHF et micro-ondes
TIP: Texas Instruments transistor de puissance boîtier plastique
TIPL: Texas Instruments transistor de puissance planar
TIS: Texas Instruments transistor faible signal boîtier plastique
ZT, ZTX: Ferranti

1.4.4.Les CMS

En raison de leurs faibles dimensions , les composants à montage en surface ( CMS ) ne peuvent recevoir de marquage complet ; c' est pourquoi les fabricants leur appliquent un code sur quatre caractères alphanumériques au maximum .

Attention : le même code de marquage peut entre appliqué par divers fabricants à des composants différents ; aussi devra t on examiner l'origine des équipements ou des schémas pour déterminer la concordance des codes .Certains fabricants introduisent une lettre supplémentaire en minuscule pour indiquer l' origine ; exemple p pour Philips ou s pour Siemens .

Exemples de transistors :

1Mp boîtier SOT23 = BC848 NPN équivalent à BC548 fabriquant Philips

LG boîtier SOT23 = BF775A NPN fabriquant Siemens

1.4.5.Les Boîtiers ( Package )

Il existe au moins 200 types de boîtiers de base plus ou moins différent suivant le fabriquant pour les transistors , mais beaucoup sont très peut utilisé .Voici les principaux boîtiers

1.4.6.Les brochages

Pour un même boîtier TO 92 , on trouve 5 brochages différents suivants les modèles de transistors .

1.5.Variantes

1.5.1. Le transistor bipolaire à grille isolée ou IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) :

À côté de des transistors dits bipolaires, il existe un autre type de transistors dits transistors à effet de champ (TEC ou FET Field Effect Transistor ), dans lesquels le passage du courant à travers un canal continu reliant la source au drain est en fait contrôlé par le champ créé par une troisième électrode, la grille située sur le canal. Dans la version MOS (metal oxide semi-conductor), de ce type de transistors, la grille est une mince couche d'aluminium séparée par un isolant du canal. Les transistors à effet de champ sont facilement miniaturisables et permettent des amplifications élevées.

1.5.2. Le transistor à effet de champ à jonction ( depuis 1952 ) : Il est aussi appelé JFET ( Junction Field Effect Transistor ).

1.5.3. Le transistor à effet de champ à grille isolée : Connu dans son principe depuis 1930, sa fabrication n?a été dominée qu?à partir des années 60. Il est aussi appelé MOSFET ( Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor ). Grâce à une géométrie simple et une consommation pouvant être très faible, c?est le composant élémentaire de tous les circuits intégrés à très grande échelle ( VLSI ).

1.5.4. Le transistor unijonction

1.5.5. les transistors Darlingtons

1.5.6. les phototransistors

1.5.7. les photocoupleurs

1.6.Utilisations

Pour tester un transistor bipolaire ont peut le comparer à 2 diodes en séries :

Interrupteur commandé :
c?est le cas des circuits logiques où l?état de l?interrupteur permet de modifier la valeur d?une variable binaire 

Source de courant commandée :
c?est prioritairement le cas des circuits analogiques

Amplificateur de signal :

fonction amplification linéaire, en modulant le courant base autour d'une valeur, on contient une modulation plus importante du courant collecteur

2.1.Composition

Fabrication des transistors

Étant donné la sensibilité des propriétés des semi-conducteurs aux moindres impuretés et aux imperfections cristallines, il faut les fabriquer à partir de monocristaux parfaits et d'une très grande pureté. Le matériau poly cristallin impur, préparé par les procédés métallurgiques, est d'abord raffiné par le procédé de fusion de zone ; dans un lingot allongé contenu dans une nacelle, on fait fondre une tranche d'une épaisseur de l'ordre du centimètre, généralement par induction haute fréquence ; en déplaçant d'un mouvement lent et uniforme la source de chaleur, la zone fondue se propage dans le barreau d'une extrémité à l'autre, balayant en même temps les impuretés, qui vont se concentrer dans la queue du lingot. Les semi-conducteurs volatils, comme le sélénium, sont raffinés par distillation sous vide.

Le matériau, très pur, doit ensuite être mis sous forme d'un unique gros cristal. La méthode la plus couramment utilisée, dite méthode de Czochralski, consiste à plonger l'extrémité d'un germe mono cristallin dans le bain de semi-conducteur en fusion dont la température est réglée avec une grande précision ; on " tire " alors le cristal en remontant très lentement le germe (à une vitesse de quelques centimètres par heure) tout en le faisant tourner ; on parvient, en programmant la température, à augmenter le diamètre de la carotte à partir de celui du germe initial - jusqu'à une dizaine de centimètres dans le cas du silicium ; la longueur maximale des carottes est proche du mètre. On profite du tirage pour doper légèrement (ajouter une très petite quantité d'impuretés) le semi-conducteur, de type N ou P, quitte à modifier ce dopage, dans les régions voulues, lors des phases ultérieures de la préparation des composants.

Le monocristal est alors découpé, à l'aide d'un abrasif au diamant, en tranches de quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur, qui sont ensuite polies mécaniquement et chimiquement pour éliminer la région perturbée et polluée en surface par le sciage.

L'enchaînement des opérations suivantes dépend du dispositif envisagé, mais il vise toujours à préparer, sur une tranche, plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de puces identiques, qui sont ensuite séparées par sciage ou par découpage au faisceau laser ou électronique. Ces opérations consistent en une suite d'oxydations, de masquages et de diffusions, en nombre variable selon la complexité du composant à réaliser. L'oxydation consiste à former une couche superficielle de silice protectrice, par chauffage en atmosphère oxydante. Cette couche doit être ensuite supprimée en certains endroits, par attaque chimique ; pour cela, on protège les parties à conserver par une pellicule obtenue par un procédé photographique en éclairant, à travers un masque reproduisant le dessin à obtenir, une couche de résine photosensible déposée sur la tranche ; une attaque à l'acide fluorhydrique enlève la couche de silice, découvrant des fenêtres par où va s'opérer la diffusion. L'opération suivante, la diffusion, permet de doper le semi-conducteur à la concentration voulue, et ce jusqu'à une profondeur déterminée, en chauffant les plaquettes dans une atmosphère contenant l'impureté à faire pénétrer. En répétant cette suite d'opérations, on parvient à implanter les diverses régions N et P plus ou moins dopées, et à conserver les pellicules d'oxyde là où c'est nécessaire.

Un autre procédé, plus récent, consiste à implanter les impuretés par bombardement ionique sous vide. Les profils de dopage ainsi obtenus sont plus nets que par diffusion, et la résolution, c'est-à-dire la petitesse des motifs réalisables, est plus grande, ce qui permet tout à la fois de diminuer l'encombrement, d'augmenter le nombre de transistors, de diodes et de résistances par unité de surface, et d'augmenter la rapidité de fonctionnement (par la diminution des capacités parasites).

Il faut finalement réaliser les contacts métalliques, par dépôt d'aluminium sous vide suivi d'un nouveau masquage et d'une nouvelle attaque chimique. On peut alors séparer les puces, qui sont ensuite fixées sur une embase portant les broches de sortie. Ces broches sont réunies aux métallisations voulues de la puce par des fils d'or très fins, qui sont soudés sous microscope. Après un test de bon fonctionnement, le composant semi-conducteur est enfermé dans un boîtier métallique ou enrobé dans une matière plastique ayant un double rôle de protection mécanique et chimique.

Les différents matériaux semi-conducteurs

Le premier semi-conducteur utilisé à l'échelle industrielle dans les dispositifs électroniques est toujours le silicium. Matériaux fiable et résistant, très courant et bon marché, il a été au coeur de la révolution informatique liée à l'avènement des circuits VLSI (very large scale integration, " intégration à très grande échelle "). C'est avec le silicium qu'ont été expérimentées, développées et améliorées presque toutes les techniques qui ont permis de réaliser des ordinateurs de plus en plus rapides et de plus en plus puissants.

De nouvelles possibilités sont entrevues avec d'autres semi-conducteurs, plus performants que le silicium, mais plus difficiles à mettre en oeuvre, et d'un prix de revient beaucoup plus élevé. Citons, en particulier, les matériaux de type III-V, dont l'arséniure de gallium est un représentant.

Le silicium et le germanium sont des éléments semi-conducteurs de la colonne IV de la classification de Mendeleïev, c'est-à-dire que les atomes constituant ces matériaux portent quatre électrons sur leur couche périphérique (dits électrons de valence). Les composés binaires III-V sont formés d'un élément de la colonne III du tableau de Mendeleïev (c'est le cas de l'aluminium, du gallium et de l'indium) et d'un élément de la colonne V de ce tableau (comme le phosphore, l'arsenic, l'antimoine). Dans cette dernière catégorie, l'arséniure de gallium (GaAs) est le plus étudié. Après lui, le plus intéressant paraît être le phosphure d'indium (InP). Certains composés ternaires (tel AlGaAs) ou quaternaires (GaInAsP) interviennent également dans des composants à semi-conducteurs. Les semi-conducteurs III-V sont notamment appliqués en optoélectronique et pour les dispositifs hyperfréquences (radars, satellites, relais hertziens, ensembles de contre-mesures, etc.). Grâce à la mobilité et à la vitesse des électrons dans l'arséniure de gallium, notablement plus élevées que dans le silicium, le GaAs est un matériau adapté aux circuits intégrés ultrarapides, tels ceux que nécessitent les supercalculateurs.

Les circuits intégrés

Le transistor, sous une forme particulière dite planaire, développée en 1958 par Fairchild, a permis de concrétiser un mode de réalisation compact de circuits électroniques, où tous les composants - transistors, diodes, résistances et condensateurs - sont créés par des opérations physico-chimiques sur une pastille unique de quelques millimètres carrés de matériau semi-conducteur, le silicium . Les circuits ainsi intégrés ont permis une densité d'intégration des composants de plus en plus élevée. La tendance actuelle est de considérer chaque circuit intégré comme assumant une fonction, et de l'inclure dans des circuits de plus grande échelle où il apparaît lui-même comme un composant.

2.2.Formules +

2.2.1.Le transistor bipolaire

(Bipolar Junction Transistor) est un dispositif à semi-conducteur présentant trois couches à dopages alternés npn ou pnp (voir fig. 1).

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• Figure 1: structures et symboles des transistors bipolaires

La couche médiane est appelée base. Leur géométrie et leur nombre volumique en impuretés distinguent les deux couches externes: émetteur et collecteur. Par extension, on appelle également base, émetteur et collecteur les trois électrodes qui donnent accès aux trois couches correspondantes.
Les deux jonctions qui apparaissent dans le transistor sont désignées par le nom des deux régions entre lesquelles elles assurent la transition; on trouve, par conséquent, la jonction base-émetteur (BE) également dénommée jonction de commande et la jonction base-collecteur (BC). Dans les symboles de la figure 1, la flèche désigne la jonction de commande.

2.2.2.Description: transistor au repos

La figure montre les barrières de potentiel énergétique pour les électrons et pour les trous. Au repos, elles sont telles que ni les électrons de l'émetteur, ni les électrons du collecteur, ni les trous de la base ne peuvent les franchir.

2.2.3. Description: mode F

Le mode F (Forward: progressif) est un mode particulier de fonctionnement du transistor dans lequel la tension de la jonction BC est maintenue à zéro. A la figure 3 on a représenté les barrières de potentiel pour les électrons et les trous dans le transistor en mode F.

• 
  
• Figure 3: fonctionnement du transistor en mode F

Dans le cas d'une polarisation inverse de la jonction BE, ni les électrons de l'émetteur, ni les trous de la base ne peuvent franchir la barrière de potentiel existant entre base et émetteur. Aucun courant ne circule dans le transistor.

Si la jonction BE est polarisée en sens direct, la barrière de potentiel de la jonction BE est diminuée. Les électrons de l'émetteur diffusent dans la base; comme celle-ci est courte, ces électrons sont rapidement happés par le puits de potentiel que représente le collecteur. Le flux d'électrons allant de l'émetteur au collecteur en transitant par la base se traduit par un courant I_F, qui n'est rien d'autre que le courant de la jonction BE et qui répond à l'expression:

• 
       (1)

Les trous injectés de la base dans l'émetteur sont responsables du courant I_BF et obéissent également à la loi de la jonction. On peut ainsi écrire:

• 
       (2)

Définition

Le rapport b_F entre le courant de collecteur et le courant de base est constant; on l'appelle gain de courant en mode F :

• 
       (3)

Propriétés

Les deux courants, I_F et I_BF qui traversent la jonction BE sont indépendants du comportement de la jonction BC.

Dans une modélisation du transistor, on traduit l'équation (1) en disant que le courant de collecteur du transistor, en mode F, est commandé par la tension base-émetteur. On peut également affirmer que le courant de collecteur du transistor, en mode F, est commandé par le courant de base selon la relation:

• 
       (4)

Ces deux propriétés apparaissent dans les caractéristiques de transfert en mode F de la figure 4.

• 
  

  Figure 4: caractéristiques de transfert en mode F

La caractéristique d'entrée du transistor en mode F est donnée par la relation (2) et représentée à la figure 5.

• 
  
• Figure 5: entrée en mode F

Commentaires
Lors de la fabrication des transistors on met tout en oeuvre pour que le courant de base en mode F soit le plus faible possible. En particulier, l'émetteur est dopé beaucoup plus fortement que la base pour que les électrons injectés dans la base soient plus nombreux que les trous injectés dans l'émetteur. D'autre part, on réalise des bases aussi étroites que possible de telle sorte que, pendant leur transit, les électrons n'aient que peu de chances de s'y recombiner. Le gain de courant en mode F atteint des valeurs se situant entre 100 et 1000 pour des transistors de petite puissance (< 1W).

2.2.4. Description: mode de fonctionnement R

Tout comme le mode F, le mode R (Reverse: inverse) désigne un fonctionnement particulier du transistor. En mode R, c'est la tension de la jonction BE que l'on maintient nulle. Les barrières de potentiel pour les électrons et pour les trous prennent alors les allures décrites à la figure 6.

Les phénomènes sont identiques à ceux qui se produisent en mode F: en polarisation inverse de la jonction BC, aucun courant ne circule alors qu'en polarisation directe, les électrons du collecteur sont injectés dans la base, la traversent, et les trous de la base sont injectés dans le collecteur.

Si la jonction BC est polarisée en sens direct, sa barrière de potentiel est diminuée. Les électrons du collecteur diffusent dans la base et sont happés par le puits de potentiel que représente alors l'émetteur. Le flux d'électrons allant du collecteur à l'émetteur en transitant par la base se traduit par un courant I_R, qui n'est rien d'autre que le courant d'électrons de la jonction BC et qui répond à l'expression:

• 
       (5)

• Figure 6: fonctionnement du transistor en mode R

Les trous injectés de la base dans le collecteur sont responsables du courant I_BR et obéissent également à la loi de la jonction. On peut ainsi écrire:

• 
       (6)

Définition

Le rapport b_R entre le courant de collecteur et le courant de base est constant; on l'appelle gain de courant en mode R :

• 
       (7)

Propriétés

Les deux courants, I_R et I_BR qui traversent la jonction BC sont indépendants du comportement de la jonction BE.

Dans une modélisation du transistor, on traduit l'équation (5) en disant que le courant d'émetteur du transistor, en mode R, est commandé par la tension base-collecteur. On peut également affirmer que le courant d'émetteur du transistor, en mode R, est commandé par le courant de base selon la relation

• 
       (8)

Ces deux propriétés apparaissent dans les caractéristiques de transfert en mode R de la figure 7.

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  Figure 7: caractéristiques de transfert en mode R

La caractéristique d'entrée du transistor en mode R est donnée par la relation (6) et représentée à la figure 8.

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  Figure 8: entrée en mode R

Commentaire

Il est intéressant de remarquer que les caractéristiques de transfert qui expriment la relation entre le courant commandé et la tension de commande [relations (1) et (5)] ont la même forme. Ceci s'explique par le fait que, pour une tension donnée. l'injection d'électrons dans la base ne dépend que de la concentration des impuretés dans la base.

Le gain de courant inverse b_R, du fait de la technologie, est plus petit que le gain de courant b_F; dans un transistor discret de petite puissance il peut être compris entre 1 et 10 alors qu'il devient beaucoup plus petit que l'unité dans les transistors intégrés.