Transistors et diodes
Comment fonctionne un transistor
Historique
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L'historique des transistors est décrit ici.

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.

Représentation d'un cristal de germanium pur, d'un cristal dopé à l'antimoine et d'un cristal dopé à l'indium.

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'indiume. 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.

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

Figure 1:
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, 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.

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Figure 2:
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. 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 deux exemples de l'utilisation d'une diode varicap pour la fonction AFC sur la page des radios transistorisées.

Diode schottky

Les diodes schottky n'ont pas de jonction PN, mais une jonction entre un semi-conducteur et un métal (généralement dopé P). Un métal a des électrons qui sont aisément libérés, tandis qu'un semi-conducteur de type P a des trous (récepteurs d'électrons).

Une des caractéristiques de ces diodes est qu'elles peuvent commuter plus rapidement. La seuil de tension qu'il faut vaincre pour mettre la diode en conduction est plus bas qu'avec une diode traditionelle: elle est de 0.6V pour une diode au silicium classique et de 0.15V pour une diode schottky. Il est possible de modifier ce seuil en utilisant d'autres alliages métalliques.

Ces diodes sont par exemple utilisées pour détecter les signaux de radar d'une fréquence de plusieurs GHz, mais également comme redresseur dans les alimentations à commutation qui peuvent alors travailler à une fréquence plus élevée. Les pertes sont moindres car le seuil de tension en conduction est plus bas.

Quand les allemands ont construit leurs premières diodes de détection des radars alliés, ils ont en fait fabriqué des diodes schottky sans bien le savoir.

Les diodes schottky ne peuvent pas fournir un courant aussi important qu'une diode classique au même format et les diodes ont un courant de fuite plus important. Le courant de fuite dépend du type de diode schottky: une diode avec un seuil très faible a également un courant de fuite plus important.

Fonctionnement d'un transistor

Fig. 3
Le transistor est composé de trois couches NPN ou PNP, appellées émetteur, base et collecteur. Dans le cas d'un transistor NPN, le courant d'électrons peut passer de l'émetteur à la base et du collecteur à la base (le transistor fonctionne ici comme deux diodes).

Fig. 4
Le transistor commande un courant entre l'émetteur et le collecteur, mais celui-ci ne peut pas passer, car il est bloqué par la seconde jonction entre base et collecteur.

Fig. 5
Par contre, le courant peut passer de l'émetteur à la base (diode conductrice). Mais la base est si fine que les électrons continuent leur route jusqu'au collecteur. Moins d'un pourcent des électrons sont absorbés par la base. Un faible courant entre émetteur et base produit ainsi un courant plus important entre émetteur et collecteur (si le collecteur est polarisé correctement).

Le courant dans le collecteur est proportionnel au courant dans la base. Selon le type de transistor, ce courant est environ 100× plus important que le courant dans la base. L'influence de la tension au collecteur est limitée. Les transistors de puissance qui ont généralement une base plus épaisse ont également un gain moins important.

Le fonctionnement d'un transistor NPN et PNP sont équivalents en pratique, il faut simplement tenir compte des polarités qui sont inversées:

  • NPN
    Négatif à l'émetteur
    Léger courant de controle positif sur la base
    La charge est connectée entre le collecteur et le pole positif

  • PNP
    Positif à l'émetteur
    Léger courant de controle négatif sur la base
    La charge est connectée entre le collecteur et le pole négatif

Les classe de fonctionnement d'un transistor utilisé comme amplificateur sont décrites ici.

C'est la base fine qui fait le transistor. Il n'est pas possible de fabriquer un transistor en utilisant deux diodes.

Thyristor


Un thyristor a une couche supplémentaire. Ici aussi, si on voudrait construire un thyristor à partir de diodes, le résultat ne fonctionnerait pas. C'est parce que la couche supplémentaire est si fine qu'elle produit une interaction entre les couches qui l'entourent.

En pratique, le thyristor se comporte comme un transistor double. Les connections sont notées cathode (à la place de l'émetteur), gate (à la place de la base) et anode (à la place du collecteur). On utilise parfois le terme de gachette en français. Le thyristor commande un courant entre cathode et anode, tandis que la tension de commande est appliquée à la gachette.

Nous appliquons une tension positive à la gachette, ce qui met le transistor inférieur en conduction (type NPN). Mais le courant du transistor inférieur passe par la base du transistor supérieur, ce qui le met également en conduction. Le transistor supérieur en conduction augmente également la conduction du transistor inférieur. Le thyristor restera en conduction, même si on coupe la tension positive sur la gachette.

La conduction du thyristor ne peut être interrompue qu'en réduisant le courant d'anode à une valeur très basse. On peut le faire en court-circuitant le thyristor en conduction par un transistor supplémentaire (ou un autre thyristor). Si le thyristor fonctionne avec une alimentation alternative, il ne peut conduire que si le potentiel d'anode est positif. Il devient automatiquement non-conducteur si l'anode devient négative.

Le thyristor est également appelé SCR ou (moins souvent) SCS (Silicon Controlled Rectifier et Silicon Controlled Switch). Le thyristor classique est un SCR. Un SCS peut être mis hors conduction par une impulsion négative sur la gachette. Cela ne fonctionne pas avec un SCR.

Un thyristor peut être construit à partir de deux transistors indépendants, mais il faut prévoir des résistances de protection pour limiter le courant de base à une valeur correcte. Dans notre exemple, tout le courant anodique passe par la base du transistor supérieur, qui n'est normalement pas conçu pour un tel courant. Un thyristor construit à partir de deux transistors a les caractéristiques d'un SCS.

Transistor à effet de champ (J-FET et MOSFET)

Un transistor à effet de champ à jonction (J-FET) peut être de type "N" ou "P". Nous nous limitons à la description du type "N". Un J-FET de type N se compose d'un bloc de silicium dopé N. Un tel bloc est un relativement bon conducteur grâce aux électrons surnuméraires.

Autour du bloc N nous ajoutons maintenant un anneau de silicium dopé P. L'anneau n'est pas encore connecté pour le moment. A première vue, on pourrait croire qu'il ne va rien se passer en ce qui concerne la conduction électrique, mais ce n'est pas vrai. La zone P van créer une zone de déplétion où il n'y a plus d'électrons libres (comme pour une diode). La zone de déplétion est indiquée en jaune sur la figure.

Le résultat est que la zone où les électrons peuvent circuler est restreinte par la zone de déplétion. La résistance entre source (-) et drain (+) est devenue plus élevée. Nous n'avons pas encore appliqué de tension au gate.

Si nous polarisons négativement la zone P, on a une situation de diode polarisée inversément: la tension négative augmente la zone de déplétion et la zone où les électrons peuvent circuler librement se réduit encore plus. La résistance entre source et drain augmente et le courant diminue. Il n'y a pas de courant qui circule dans le gate car la diode est polarisée inversément.

A partir d'une certaine tension, la zone de déplétion est devenue si grande qu'elle bouche le canal où pouvaient circuler les électrons. Le transistor n'est plus en conduction.

Il est possible de polariser le gate positivement et nous obtenons l'effet inverse: la zone de déplétion se réduit et les électrons peuvent circuler plus facilement. La résistance du transistor diminue.

Mais quand la tension arrive aux alentours de 0.6V, la diode entre en conduction et il y a un courant qui circule entre source et gate. Ce courant bouffe une partie des électrons en circulation, ce qui fait que le courant commence à diminuer. C'est une zone de fonctionnement qui n'est pas utilisée.

Le second graphique nous montre le courant d'anode pour une tension de gate (tension dde drain de +5V).

Il y a deux grandes différences avec les transistors normaux:

  • Le J-FET est commandé par une tension alors qu'un transistor classique est commandé par un courant.
    Quand le J-FET travaille dans sa zone de fonctionnement normale, il n'y a pas de courant qui circule dans le gate.

  • Le J-FET se comporte comme une résistance variable, tandis qu'un transistor se comporte comme une source de courant variable.
    Le courant de drain d'un J-FET est proportionnel à la tension appliquée entre source et drain, tandis que la tension du collecteur n'influence que peu le courant de collecteur.
Le J-FET a un problème de taille: il a besoin d'une tension de commande négative, tandis que le drain est positif. Cela signifie que si on voudrait fabriquer une radio à transistors J-FET, on aurait besoin d'une batterie supplémentaire pour créer la tension de polarisation du gate. Les tubes de radio ont également besoin d'une polarisation de la grille négative, mais ici les ingénieurs ont trouvé plusieurs solutions au problème.

Ce qu'il faut retenir, c'est que le transistor à effet de champ à jonction existe, mais qu'il est peu utilisé. Ce que nous voulons, c'est un type de transistor qui puisse être commandé par une tension de même polarité que l'anode. Ce composant existe, c'est un MOSFET.

On va ajouter une couche d'isolant extrèmement fine entre la zone N et P (un oxide métallique isolant). La couche est si fine que l'effet de la zone P est toujours présent et il y a toujours une zone de déplétion. Au repos, la zone de déplétion est même devenue si épaisse qu'elle bouche totalement le canal N. Aucun courant ne peut circuler entre cathode et anode quand le gate n'est pas polarisé.

Si nous mettons une tension positive sur le gate, cela va réduire la zone de déplétion. A partir d'une certaine tension (par exemple 2V voir l'exemple), le transistor va entrer en conduction. Comme le gate est isolé, il n'y a pas de courant qui y circule.

La plupart des mosfet ne sont pas en conduction quand la tension de gate est de 0V et entrent en conduction avec une tension positive. Il existe également des mosfet qui sont déjà en conduction avec une tension de 0V et dont on peut régler la conduction avec une tension de gate négative (conduction moindre) ou positive (conduction plus importante). Ce type de mosfet n'est que peu utilisé car il nécessite une tension de commande négative comme les j-fet.

La plupart des MOSFET sont fabriqués de telle manière qu'ils peuvent être commandés par les tensions usuelles des ordinateurs (logique TTL, donc 0 et +5V). Avec une tension qui va de 0 à +5V, un port d'ordinateur peut ainsi commander une charge très élevée, sans nécessiter de courant de commande.

Les mosfet au contraire des j-fet ont un comportement (courant anodique) qui les rapproche plus des transistors classiques: le courant n'augmente que modérément avec la tension (plus qu'avec un transistor classique, mais mois qu'avec un transistor j-fet).

Un point négatif des MOSFET, c'est la couche isolante qui est extrèmement fine et qui peut facilement être endommagée si la tension sur le gate devient trop élevée (aussi bien positive que négative). La valeur limite est par exemple de 30V. Les décharges électrostatiques peuvent également endommager le gate, c'est pour cela que les transistors MOSFET sont conservés avec les connections en court-circuit ou dans un sachet ESD spécifique. Quand la couche isolante est percée, le transistor va se comporter comme j-fet et ce n'est vraiment pas un effet qu'on recherche: le transistor conduit alors qu'aucune tension n'est appliquée sur le gate! Dans la plupart des applications, cela conduit à la destruction rapide du transistor (et d'autres composants.

Branchement inversé

Si le transistor est fabriqué de couches NPN ou PNP correspondant à l'émetteur, à la base et au collecteur, est-ce qu'il fonctionne également dans l'autre sens (donc l'émetteur à la place du collecteur)?

Le transistor va effectivement fonctionner, mais pas de la façon la plus efficace possible. Comme la chute de tension la plus importante se fait à la jonction base-collecteur, celle-ci est beaucoup plus grande que la jonction émetteur-base (c'est surtout le cas pour les transistors de puissance). Le transistor fonctionnera, mais son amplification sera moindre, la tension maximale sera moins élevée et la dissipation admissible sera fortement réduite.

L'exemple à droite montre la découpe d'un transistor de puissance. Il s'agit d'une coupe: l'émetteur est un îlot qui "flotte" sur la base qui à son tour flotte sur le collecteur. Cette construction permet une évacuation de la puissance, mais le point négatif c'est la capacité très élevée entre base et collecteur. Ces transistors ne peuvent pas être utilisés pour des fréquences élevées. La jonction base-collecteur où la puissance est dissipée est indiquée en tiret rouge.

Les transistors à effet de champ peuvent également fonctionner dans les deux sens, mais ici aussi il y a un sens préférentiel. Le sens préférentiel joue moins pour les petites puissances où le transistor se comporte comme une vraie résistance variable.

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