Transistors et diodes
Comment fonctionne un transistor
Historique

L'historique des transistors est décrit ici.
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Le fonctionnement d'un transistor est bien plus complexe que celui d'un tube. Les diodes et les transistors somt composés de germanium et de silicium. Le germanium et le silicium forment une structure cristaline stable. Les électrons sont liés et peu mobiles. Le gernanium ou silicium parfaitement pur est un isolant.

Mais s'il y a des impuretés (ce qui est pratiquement toujours le cas), celle ci ne peuvent pas s'intéger au cristal et augmentent le nombre d'électrons mobiles. Quand on applique une tension, il y a parfois un électron qui est libéré du cristal, ce qui produit un faible courant. En pratique le germanium et le silicium sont des semi-conducteurs. Un atome d'impureté sur un million d'atomes purs suffisent à rendre le cristal semi-conducteur.

Quand la température augmente, les électrons sont plus aisément libérés et le courant peut devenir plus important. Dans les circuits électroniques, il doit y avoir une correction pour compenser l'augmentation du courant avec la température. C'est surtout le cas avec le germanium.

En pratique on n'utilise pas de germanium ou de silicium pur, car sa résistance est trop élevée. On le "dope" avec un pourcentage très précis d'impuretés.

L'antimoine est un élément pentavalent, il a 5 électrons sur la couche extérieure. Quand on dope le semiconducteur avec un tel élément, on obtient un réseau cristallin avec des électrons surnuméraires. Ces électrons sont facilement libérés et augmentent la conduction du germanium ou du silicium. Ce semiconducteur est dopé N car les électrons ont une charge négative.

On peut également doper le silicium ou le germanium avec un élément trivalent comme le bore ou l'indium. Ces éléments ont un électron trop peu pour faire un réseau cristallin stable. Ici, le courant est réalisé par les électrons qui sautent d'un trou à l'autre. On indique que le semiconducteur est dopé P.

Représentation d'un cristal de germanium pur, d'un cristal dopé à l'antimoine et d'un cristal dopé à l'indium.
Pour donner un ordre de grandeur, un atome sur un million de germanium est remplacé, mais cela suffit à assurer la conduction du cristal.

Diode

Première figure à droite:
Si on place un semiconducteur P contre un semiconducteur N, les électrons vont passer de la couche pentavalente (trop d'électrons) à la couche trivalente (trop de trous). Il se produit une fine couche où tous les trous sont bouchés et où il n'y a pas d'électrons surnuméraires (couche de déplétion). Cette couche est pratiquement isolante.

La couche ne grandit pas indéfiniment, car le déplacement des électrons a généré une barrière électrostatique. Les atomes sont fixés dans le cristal et ne peuvent pas se déplacer pour suivre les électrons qui gambadent dans la nature.

Figure à gauche:
Barrière électrostatique à l'intérieur d'une jonction.

Si on met une tension entre les deux couches, on va soit agrandir soit réduire la couche de déplétion selon la polarité (augmentation ou réduction du champ électrostatique). Quand la tension appliquée devient suffisamment importante, la couche de déplétion disparait et la diode entre en conduction (dans un seul sens).

Diode zener

Une diode zener est équivalente à une diode normale, mais les couches N et P sont dopées plus vigoureusement. Il y a donc plus d'électrons surnuméraires du coté N et plus de trous du coté P. Le couche de déplétion ne peut donc pas grandir autant, car la barrière de potentiel croît plus rapidement.

La diode fonctionne de la même manière dans le sens de la conduction, mais dans le sens inverse la diode entre en conduction à partir d'une certaine tension. Les électrons sautent par delà de la jonction. Il s'agit d'un effet qui ne détruit pas la diode (tant que le courant est limité). Une diode zener est utilisée comme stabilisateur de tension pour les faibles puissances ou comme élément de référence.

L'expérience montre que même utilisées correctement, les diodes zener ont tendance à tomber en panne (au bout de très nombreuses années de fonctionnement). La panne est facilement détectable, la diode est en cours-circuit total.

Diode varicap

La couche de déplétion agit comme l'isolant d'un condensateur, mais avec cet avantage qu'on peut faire varier l'épaisseur de la zone de déplétion en modifiant la tension inverse. Plus la tension inverse est élevée, et plus la capacité est faible (zonde de déplétion plus large).

Toutes les diodes produisent un tel effet, mais certaines diodes sont construites spécialement pour cette fonction, avec une zonde de déplétion bien définie (et donc une capacité bien définie). Ces diodes sont utilisées dans les circuit accordés haute fréquence (tuners de télévision, etc). Ces diodes permettent également de corriger l'accord d'un circuit, par exemple la fonction AFC (correction automatique de la fréquence) dans les récepteurs FM.

Il y a des exemples de l'utilisation d'une diode varicap pour la fonction AFC sur la page des radios transistorisées.

Diode schottky et diode PIN

Les diodes schottky sont souvent utilisées dans les alimentations à commutation pour redresser les basses tensions. Elles sont décrites sur une page séparée.

Les diodes PIN contiennent une zone intermédiaire entre les zone N et P. Ce sont des diodes qui sont par exemple utilisées comme interrupteur haute fréquence. Elles n'ont pas de symbole particulier.

La suite de l'article avec le fonctionnement des transistors et des thyristors

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