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.


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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

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 des transistors qui ont de meilleures caractéristiques: les transistors 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.

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'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 en bas de page) est limité à environ 100mW.


Photo 2
Découpe du transistor de type IBM 083. Ce transistor est 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


IBM s'en mèle

Il est normal qu'IBM se soit interessé rapidement aux transistors, car les ordinateurs de l'époque utilisaient des milliers de tubes et consommaient donc beaucoup. Mais IBM voulait pouvoir controler la fabrication (et donc la qualité) des transistors fabriqués, car avec un ordinateur contenant des milliers de transistors, il fallait que les transistors soient extrèmement fiables.

IBM avait de grands moyens financiers et pouvait construirez rapidement ses propres usines. Ces usines ont été vendues plus tard à des firmes comme Texas Instruments qui étaient plus spécialisées dans la fabrication de composants. Une fois vendues, les firmes ont continué à fabriquer des composants aux caractéristiques spécifiques pour IBM.


Photos 3
  • Carte du système SMS
  • Schéma d'un préamplificateur
  • Représentation moderne


IBM utilise des modules de format standardisé (SMS: Standardised Module System) qui ont chacun une fonction de base (préamplification, fonction OR ou AND, ligne à retard,... Au début on comptait sur environ 250 modules différents, mais comme toutes les fonctions, même les plus spécifiques, étaient reprises via ces modules, on en arrivait à une bibliothèque de plusieurs milliers de modules. On avait des modules reprenant des alimentations stabilisées, des fusibles thermiques, etc. Le système de modules standardisé sera repris pour certaines fonctions dans les ordinateurs plus récents.

Quand le système SMS entre en vigueur, IBM achète les composants chez différents fournisseurs, ce qui explique qu'il n'y ait pas moins de 6 types de résistances différentes sur une seule plaquette, ce qui donne un air vraiment bon marché à la plaquette. Les plaquettes européennes n'ont pas ce look cheapo.

Ce préamplificateur est utilisé dans certains ordinateurs IBM et se compose de 2 transistors complémentaires, un IBM083 et un IBM033. Remarquez le drôle de symbole utilisé à l'époque pour indiquer les transistors. Il reprend, comme pour les diodes, la forme générale du composant (transistor composé de fines couches). Le circuit consomme environ 50mW, ce qui est très faible en comparaison d'un amplificateur à tubes dont le chauffage consomme plus d'1W.

L'étage amplifie environ 750× et le gain est réglable. Le courant est de 1mA par transistor, c'est avec un tel courant que les paramètres du transistor sont les meilleurs: le gain et la vitesse du transistor sont le plus élevés. La fréquence de travail de ces premiers transistors est faible en comparaison de tubes et ce n'est qu'en évitant à tout prix de faire travailler le transistor en saturation, en utilisant un courant relativement élevé et en utilisant une contre-réaction locale (par transistor) qu'on obtient une vitesse de commutation acceptable.

Ce circuit est utilisé pour amplifier le signal des têtes magnétiques d'un dérouleur à bandes. La base du premier transistor est au potentiel de 0V via la tête de lecture dont la résistance ohmique est faible. A la sortie nous avons un signal d'environ 1V qui permet de commander un trigger de Schmitt. Le dernier schéma est une représentation plus moderne.

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 lontemp 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 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.

Le fonctionnement d'un transistor est décrit plus end étail ici.

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