Transistors et diodes
Les premiers transistors et diodes
Historique
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Avant les transistors: les diodes

Déjà avant la seconde guerre mondiale, on était au courant des propriétés de certains cristaux, par exemple le cristal de galène utilisé comme détecteur dans les premières radios. Ces radios se composaient d'un circuit accordé sur l'émetteur qu'on voulait recevoir, d'une diode pour détecter le signal et d'un casque d'écoute très sensible. La portée d'un émetteur puissant était de plusieurs centaines de km en terrain favorable (bon conducteur).

La galène était un cristal de sulfure de plomb et on utilisait une fine pointe métallique (généralement en or ou en platine) qui reposait sur le cristal.

Pendant la guerre on a continué à utiliser des diodes pour détecter le signal des radars. Le cristal était alors monté dans une enveloppe en verre (comme un tube de radio classique). Un fort courant était alors envoyé dans la diode pendant un court instant pour que la pointe métallique se soude au cristal.

Pour l'émission, les alliés utilisaient un tube spécial, un magnétron, mais aucun tube n'était assez rapide pour détecter le signal reçu. La détection du signal reçu se faisait par une diode.

Les allemands qui ne disposaient pas de magnétrons devaient utiliser des tubes classiques qui ne montaient pas autant en fréquence: leurs radars devaient être beaucoup plus grands. Pour détecter les émissions radar des alliés les allemands utilisaient deux types de détecteurs, le Metox et plus tard le Naxos basés sur la détection par diode. Ces détecteurs indiquaient que des alliés utilisaient leur radar dans les parages. La portée du détecteur était de plus de 10km.


Photo 1
Diode à pointe de contact utilisée comme diode détectrice dans de nombreuses applications: radios, télévisions,... On utilise du germanium qui permet de travailler à des fréquences plus élevées (la puissance nécessaire est très faible). Exemple de diodes: OA81, OA85, AA119. On utilisait les mêmes codes pour les tubes, mais avec "tension de chauffage" = O, puis on est passé aux dénominations Pro Electron où la première lettre indique le type de cristal utilisé (A = germanium).

D'autres éléments chimiques avaient des propriétés identiques, comme par exemple les redresseurs au sélénium. Ces redresseurs ne pouvaient pas fonctionner aux fréquences élevées et n'étaient utilisées que pour redresser l'alternatif (par exemple pour charger des batteries à partir du courant alternatif).

Le détecteur à galène est fort utilisé en France et en Belgique dans les récepteurs pendant la guerre car il ne nécessite pas de source de courant. De plus, contrairement à la plupart des récepteurs à lampes il ne produit pas de signal propre qui permet sa localisation par le contre-espionnage allemand.

Le symbole de la diode (et plus tard du transistor) est basé sur le détecteur à galène avec une sorte de flèche qui représente la pointe en contact avec le cristal.

Recherches sur les transistors:
transistors à pointes de contact

C'est après la guerre que des américains se rendent compte que certains montages avec deux pointes permettaient d'amplifier le signal. Les lois de la physique qui sont à la base du phénomène sont très complexes, et la réalisation des premiers transistors est très aléatoire. Parfois cà marche, parfois pas, mais on ne sait pas très bien pourquoi. Un transistor, ce n'est pas simplement deux diodes montées l'une après l'autre.

Des ingénieurs allemands qui avaient travaillé sur les diodes allemandes pendant la seconde guerre mondiale font également des recherches. Ils travaillent alors en France et découvrent presque simultanément le même effet. Ils appellent leur amplificateur un transistron.

Les transistors à pointes de contact sont peu fiables et ne peuvent amplifier que des signaux très faibles. Les caractéristiques ne sont pas stables et le gain est limité: il faut passer à un type de transistor qui a de meilleures caractéristiques: le transistor à jonction.

Le transistor à jonction

Figure 1a
Le transistor à jonction se compose d'une fine plaquette de germanium dopé N (avec un élément pentavalent), vert sur la figure. De chaque coté on place une minuscule pastille d'un élément trivalent, généralement de l'indium qui est bon conducteur et a une basse température de fusion (155°C). La plaquette est chauffée jusqu'à une température légèrement supérieure à la température de fusion de l'indium. L'indium se liquéfie et dissout une partie du germanium. A cet endroit le germanium devient de type P, rouge sur la figure. Il reste un peu d'indium auquel on soude le fil de connection.

La réalisation pratique de ces primiers transistors se trouve sur les Photos 2.

Il faut qu'il reste une fine couche de germanium N: si la couche est percée le courant circule librement de l'émetteur au collecteur, si la couche est trop épaisse, il n'y a pas d'effet transistor (amplification du courant) et on se retrouve en fait avec deux diodes. L'épaisseur de la couche restante détermine en partie l'amplification en courant du transistor. Comme l'épaisseur ne pouvait pas être déterminée exactement, les transistors d'un même type avaient des gains différents. C'est aunsi qu'on en est venu à classer les transistor par classe de gain après leur fabrication: nous avons par exemple des BC547A, BC547B et BC547C.

L'indium a une basse température de fusion, ce qui limite la température maximale que le transistor peut atteindre. La dissipation admissible d'un petit transistor en boitier plastique (voir photos 4 et 5) est limité à environ 100mW.

Les premiers transistors à jonction avaient une base plus grande que l'émetteur ou le collecteur (voir dessin). Dans les premiers circuits la base était généralement mise à la masse et le signal envoyé sur l'émetteur. L'impédance d'entrée du transistor était très basse, de l'ordre d'une centaine d'ohms, tandis que l'impédance de sortie était élevée. Le gain en courant était inférieur à l'unité (montage à base commune).

Ce type de montage permettait également de compenser un des défauts de ces transistors, notament la fréquence maximale qui était très basse (fréquence maximale de 1MHz). Ces transistors ne pouvaient pas être utilisés dans la partie radio-fréquence d'une radio, et c'est ainsi qu'on a vu des radios portables avec une partie radiofréquence avec tubes et une partie audio avec des transistors.


Photo 3
Découpe du transistor de type IBM 083. Ce transistor est par exemple utilisé pour amplifier le signal des mémoires à tores de feritte.
  1. Plaque en métal
  2. Cristal de germanium de type "p" dopé à l'indium
  3. Goutte de germanium dopé à l'antimoine (type "n"), le fil est en étain
La goutte pour l'émetteur se trouve de l'autre coté. Les fils d'étain étaient courbés pour permettre une dilatation.

Le transistor complémentaire (PNP) était l'IBM 033


La partie IBM et les transistors se trouve maintenant ici. Si vous recherchez la photo 3, elle se trouve sur ces pages.

Evolution des transistors

Le transistor à jonction remplacera rapidement le transistor à pointes de contact, qui sera à son tour remplacé par une technologie permettant des puissances et des fréquences plus élevées (transistor de type mesa et puis planar).

Les américains abandonnent assez rapidelent les tubes et passent aux transistors, mais en Europe on reste fidèle plus longtemps aux tubes. Même les radio portatives (disons plutôt portables) utilisent encore des tubes. On fabrique même des radios hybrides avec la partie haute fréquence composée de tubes et la partie basse fréquence composée de transistors. Pourquoi pas, on a de toute façon besoin d'une basse tension pour les filaments des tubes. L'historique de la radio se trouve ici. Les télévisions également continuent à utiliser des tubes pour la partie haute puissance et haute tension. Même les premiers téléviseurs couleurs seront équipés de tubes de puissance (fin des années 1960).

Le transistor à jonction sera utilisé très intensivement dans les années 1960 à 1970. Comparé aux tubes, il ne permet ni une puissance élevée ni une fréquence élevée. La base est trop grande, ce qui augmente les capacités parasites. L'évacuation de la chaleur n'est pas optimalisée. Om voit très bien sur les photos suivantes que l'évacuation de la chaleur ne peut se faire que par conduction à travers la goutte de plastique.


Photo 4 et 5
Transistor OC71 en boitier plastique transparent, à l'origine recouvert d'une couche de peinture. L'utilisation de ce transistor comme détecteur de flash est décrit ici.

Macrophotographies réalisées avec un Canon 5D MkIII, optique EF-S 18-55 et bague-allonge EF 25 II


Le transistor OC71 (transistor à jonction) a les caractéristiques suivantes: dissipation maximale: 0.125W, tension d'alimentation maximale: 20V, courant de collecteur maximal: 10mA, gain de 30× au minimum. Ce transistor était utilisé comme amplificateur basse puissance.

Le transistor OC74 est le premier transistor qui puisse commander un haut parleur (étage simple avec une puissance de 100mW ou push pull avec une puissance de 500mW). Il dispose d'un boitier en métal qui peut être fixé sur un refroidisseur, permettant une meilleure dissipation de la chaleur.

Et finalement le transistor planaire remplacera les autres types. Ce transistor utilise une plus grande surface pour le collecteur (là où la dissipation est la plus élevée), tandis que la base est plus petite, ce qui réduit les capacités parasites et permet au transistor de fonctionner à une fréquence plus élevée.

10 ans après la fabrication des premiers transistors (au germanium) on passe au silicium. La fabrication de tels transistors est plus complexe à cause des températures plus élevées à utiliser, mais cela permet également au transistor de fonctionner à des puissances plus élevées.

Photo 6
Découpe d'un transistor 2N2222
Le capuchon métallique du transistor a été enlevé.

Il s'agit d'un transistor de type "planar" (plat) qui a une connection d'émetteur (à droite) et de base (à gauche) sur le dessus. Le collecteur qui a la dissipation la plus élevée se trouve en dessous et fait contact avec le boitier métallique qui permet une meilleure évacuation de la température.

Les transistors au silicium permettent une température de fonctionnement plus élevée, mais le montage du collecteur contre le boitier permet également une meilleure évacuation de la température: le transistor peut donc dissiper une puissance nettement plus élevée.

La version "A" du transistor permet un courant de 800mA, une tension de 40V et une dissipation de 500mW à l'air libre (1.8W si le boitier est maintenu à 25°). La fréquence maximale de fonctionnement est de 300MHz et le gain en courant est de 100× au minimum.

Les transistors standards actuels sont appellés BJT ou Bipolar Junction Transistor: le fonctionnement du transistor est déterminé par les deux jonctions entre trois composants aux propriétés électriques différentes. Le transistor classique a deux jonctions: une entre l'émetteur et la base, une entre la base et le collecteur. Il existe également des transistors avec une seule jonction (UJT: Unijuction Transistor et des transistors sans jonction (en fait où la jonction n'est pas parcourue par un courant): les transistors à effet de champ (FET: Field Effect Trnsistor).

Le fonctionnement d'un transistor est décrit plus en détail ici.

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