Transistor - Transistor

Assortiment de transistors discrets. Paquets dans l'ordre de haut en bas : TO-3 , TO-126 , TO-92 , SOT-23 .
Transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET), montrant les bornes de la grille (G), du corps (B), de la source (S) et du drain (D). La grille est séparée du corps par une couche isolante (rose).

Un transistor est un dispositif semi-conducteur utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électroniques et de l'énergie électrique . Les transistors sont l'un des éléments de base de l' électronique moderne . Il est composé d'un matériau semi - conducteur généralement avec au moins trois bornes pour la connexion à un circuit externe. Une tension ou un courant appliqué à une paire de bornes du transistor contrôle le courant à travers une autre paire de bornes. Comme la puissance contrôlée (de sortie) peut être supérieure à la puissance de contrôle (d'entrée), un transistor peut amplifier un signal. Aujourd'hui, certains transistors sont emballés individuellement, mais beaucoup d'autres sont intégrés dans des circuits intégrés .

Le physicien austro-hongrois Julius Edgar Lilienfeld a proposé le concept d'un transistor à effet de champ en 1926, mais il n'était pas possible de construire un appareil fonctionnel à cette époque. Le premier appareil fonctionnel à être construit était un transistor à contact ponctuel inventé en 1947 par les physiciens américains John Bardeen et Walter Brattain alors qu'ils travaillaient sous la direction de William Shockley aux Bell Labs . Les trois ont partagé le prix Nobel de physique 1956 pour leur réalisation. Le type de transistor le plus largement utilisé est le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET), qui a été inventé par Mohamed Atalla et Dawon Kahng aux Bell Labs en 1959. Les transistors ont révolutionné le domaine de l'électronique et ont ouvert la voie à de plus petits transistors. et des radios , calculatrices et ordinateurs moins chers , entre autres.

La plupart des transistors sont fabriqués à partir de silicium très pur , et certains à partir de germanium , mais certains autres matériaux semi-conducteurs sont parfois utilisés. Un transistor peut avoir un seul type de porteur de charge, dans un transistor à effet de champ, ou peut avoir deux types de porteurs de charge dans des dispositifs à transistors à jonction bipolaire . Par rapport au tube à vide , les transistors sont généralement plus petits et nécessitent moins de puissance pour fonctionner. Certains tubes à vide présentent des avantages par rapport aux transistors à des fréquences de fonctionnement très élevées ou des tensions de fonctionnement élevées. De nombreux types de transistors sont fabriqués selon des spécifications standardisées par plusieurs fabricants.

Histoire

Julius Edgar Lilienfeld a proposé le concept d'un transistor à effet de champ en 1925.

La triode thermoionique , un tube à vide inventé en 1907, a permis la technologie radio amplifiée et la téléphonie longue distance . La triode, cependant, était un appareil fragile qui consommait une quantité substantielle d'énergie. En 1909, le physicien William Eccles a découvert l'oscillateur à diode à cristal. Le physicien austro-hongrois Julius Edgar Lilienfeld a déposé un brevet pour un transistor à effet de champ (FET) au Canada en 1925, qui était destiné à remplacer la triode à l' état solide . Lilienfeld a également déposé des brevets identiques aux États-Unis en 1926 et 1928. Cependant, Lilienfeld n'a publié aucun article de recherche sur ses appareils et ses brevets n'ont cité aucun exemple spécifique de prototype fonctionnel. Parce que la production de matériaux semi - conducteurs de haute qualité était encore loin des décennies, les idées d'amplificateurs à semi - conducteurs de Lilienfeld n'auraient pas trouvé d'utilisation pratique dans les années 1920 et 1930, même si un tel dispositif avait été construit. En 1934, l'inventeur allemand Oskar Heil a breveté un dispositif similaire en Europe.

Transistors bipolaires

Une réplique du premier transistor fonctionnel, un transistor à contact ponctuel inventé en 1947.

Du 17 Novembre 1947 au 23 Décembre 1947, John Bardeen et Walter Brattain à AT & T « s Bell Labs à Murray Hill, New Jersey , ont réalisé des expériences et ont observé que lorsque deux contacts ponctuels d'or ont été appliqués à un cristal de germanium , un signal a été produit avec une puissance de sortie supérieure à l'entrée. Le chef du Solid State Physics Group, William Shockley, en a vu le potentiel et, au cours des mois suivants, a travaillé à élargir considérablement les connaissances sur les semi-conducteurs. Le terme transistor a été inventé par John R. Pierce comme contraction du terme transrésistance . Selon Lillian Hoddeson et Vicki Daitch, auteurs d'une biographie de John Bardeen, Shockley avait proposé que le premier brevet de Bell Labs pour un transistor soit basé sur l'effet de champ et qu'il soit nommé inventeur. Après avoir déterré les brevets de Lilienfeld qui sont tombés dans l'obscurité des années plus tôt, les avocats de Bell Labs ont déconseillé la proposition de Shockley parce que l'idée d'un transistor à effet de champ utilisant un champ électrique comme "grille" n'était pas nouvelle. Au lieu de cela, ce que Bardeen, Brattain et Shockley ont inventé en 1947 était le premier transistor à contact ponctuel . En reconnaissance de cet accomplissement, Shockley, Bardeen et Brattain ont reçu conjointement le prix Nobel de physique 1956 « pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et leur découverte de l'effet transistor ».

L'équipe de recherche de Shockley a d'abord tenté de construire un transistor à effet de champ (FET), en essayant de moduler la conductivité d'un semi - conducteur , mais sans succès, principalement en raison de problèmes avec les états de surface , la liaison pendante et les matériaux composés de germanium et de cuivre . . En essayant de comprendre les raisons mystérieuses de leur échec à construire un FET fonctionnel, cela les a plutôt conduits à inventer les transistors bipolaires à contact ponctuel et à jonction .

Herbert Mataré en 1950. Il a inventé indépendamment un transistor à contact ponctuel en juin 1948.

En 1948, le transistor ponctuel a été inventé indépendamment par les physiciens allemands Herbert Mataré et Heinrich Welker alors qu'ils travaillaient à la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse , une filiale de Westinghouse située à Paris . Mataré avait une expérience antérieure dans le développement de redresseurs à cristal à partir de silicium et de germanium dans le cadre de l' effort radar allemand pendant la Seconde Guerre mondiale . En utilisant cette connaissance, il a commencé à rechercher le phénomène d'"interférence" en 1947. En juin 1948, voyant des courants s'écouler à travers des points de contact, Mataré a produit des résultats cohérents en utilisant des échantillons de germanium produits par Welker, similaires à ce que Bardeen et Brattain avaient accompli plus tôt dans Décembre 1947. Réalisant que les scientifiques des Bell Labs avaient déjà inventé le transistor avant eux, la société s'est précipitée pour obtenir sa « transition » en production pour une utilisation amplifiée dans le réseau téléphonique français et a déposé sa première demande de brevet de transistor le 13 août 1948.

Les premiers transistors à jonction bipolaire ont été inventés par William Shockley de Bell Labs, qui a déposé une demande de brevet (2 569 347) le 26 juin 1948. Le 12 avril 1950, les chimistes de Bell Labs Gordon Teal et Morgan Sparks avaient réussi à produire une jonction NPN bipolaire fonctionnelle. transistor au germanium. Bell Labs avait annoncé la découverte de ce nouveau transistor "sandwich" dans un communiqué de presse le 4 juillet 1951.

Transistor à barrière de surface Philco développé et produit en 1953

Le premier transistor haute fréquence était le transistor germanium à barrière de surface développé par Philco en 1953, capable de fonctionner jusqu'à 60 MHz . Ceux-ci ont été réalisés en gravant des dépressions dans une base de germanium de type n des deux côtés avec des jets de sulfate d' indium (III) jusqu'à ce qu'elle ait quelques dizaines de millièmes de pouce d'épaisseur. L'indium plaqué dans les dépressions a formé le collecteur et l'émetteur.

La première radio à transistors de poche "prototype" a été présentée par INTERMETALL (une société fondée par Herbert Mataré en 1952) à l' Internationale Funkausstellung Düsseldorf entre le 29 août 1953 et le 6 septembre 1953. La première radio à transistors de poche "de production" était la Regency TR -1 , sorti en octobre 1954. Produit dans le cadre d'une coentreprise entre la Regency Division of Industrial Development Engineering Associates, IDEA et Texas Instruments de Dallas Texas, le TR-1 a été fabriqué à Indianapolis, Indiana. C'était une radio proche de la taille d'une poche avec 4 transistors et une diode au germanium. Le design industriel a été confié à la firme de Chicago Painter, Teague and Petertil. Il a été initialement publié dans l'une des six couleurs différentes : noir, ivoire, rouge mandarine, gris nuage, acajou et vert olive. D'autres couleurs devaient suivre sous peu.

Le premier autoradio tout transistor de "production" a été développé par les sociétés Chrysler et Philco et il a été annoncé dans l'édition du 28 avril 1955 du Wall Street Journal. Chrysler avait rendu l'autoradio tout transistor, modèle Mopar 914HR, disponible en option à partir de l'automne 1955 pour sa nouvelle gamme de voitures Chrysler et Imperial 1956 qui a fait son apparition dans les salles d'exposition des concessionnaires le 21 octobre 1955.

Le Sony TR-63, sorti en 1957, a été la première radio à transistors produite en série, ce qui a conduit à la pénétration des radios à transistors sur le marché de masse. Le TR-63 s'est vendu à sept millions d'unités dans le monde au milieu des années 1960. Le succès de Sony avec les radios à transistors a conduit à ce que les transistors remplacent les tubes à vide comme technologie électronique dominante à la fin des années 1950.

Le premier transistor au silicium fonctionnel a été développé aux Bell Labs le 26 janvier 1954 par Morris Tanenbaum . Le premier transistor au silicium commercial a été produit par Texas Instruments en 1954. C'était l'œuvre de Gordon Teal , un expert en croissance de cristaux de haute pureté, qui avait auparavant travaillé aux Bell Labs.

MOSFET (transistor MOS)

Mohamed Atalla (à gauche) et Dawon Kahng (à droite) ont inventé le MOSFET (transistor MOS) aux Bell Labs en 1959.

Les entreprises de semi-conducteurs se sont d'abord concentrées sur les transistors à jonction dans les premières années de l' industrie des semi - conducteurs . Cependant, le transistor à jonction était un dispositif relativement volumineux et difficile à fabriquer en série , ce qui le limitait à plusieurs applications spécialisées. Les transistors à effet de champ (FET) ont été théorisés comme des alternatives potentielles aux transistors à jonction, mais les chercheurs n'ont pas pu faire fonctionner correctement les FET, en grande partie à cause de la barrière d' état de surface gênante qui empêchait le champ électrique externe de pénétrer dans le matériau.

Dans les années 1950, l'ingénieur égyptien Mohamed Atalla a étudié les propriétés de surface des semi-conducteurs en silicium aux Bell Labs, où il a proposé une nouvelle méthode de fabrication de dispositifs semi - conducteurs , en revêtant une plaquette de silicium d'une couche isolante d' oxyde de silicium afin que l'électricité puisse pénétrer de manière fiable dans le conducteur. silicium en dessous, surmontant les états de surface qui empêchaient l'électricité d'atteindre la couche semi-conductrice. C'est ce qu'on appelle la passivation de surface , une méthode qui est devenue critique pour l' industrie des semi - conducteurs car elle a plus tard rendu possible la production en série de circuits intégrés en silicium . Il a présenté ses découvertes en 1957. En s'appuyant sur sa méthode de passivation de surface, il a développé le procédé métal-oxyde-semiconducteur (MOS). Il a proposé que le processus MOS puisse être utilisé pour construire le premier FET au silicium fonctionnel, sur lequel il a commencé à travailler avec l'aide de son collègue coréen Dawon Kahng .

Le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET), également connu sous le nom de transistor MOS, a été inventé par Mohamed Atalla et Dawon Kahng en 1959. Le MOSFET était le premier transistor vraiment compact qui pouvait être miniaturisé et produit en série pour un large éventail d'utilisations. Avec sa grande évolutivité , sa consommation d'énergie beaucoup plus faible et sa densité plus élevée que les transistors à jonction bipolaire, le MOSFET a permis de construire des circuits intégrés à haute densité , permettant l'intégration de plus de 10 000 transistors dans un seul circuit intégré.

CMOS (complémentaire MOS ) a été inventé par Chih-Tang Sah et Frank Wanlass chez Fairchild Semiconductor en 1963. Le premier rapport d'un MOSFET à grille flottante a été réalisé par Dawon Kahng et Simon Sze en 1967. Un MOSFET à double grille a été démontré pour la première fois en 1984 par les chercheurs du Laboratoire électrotechnique Toshihiro Sekigawa et Yutaka Hayashi. Le FinFET (transistor à effet de champ fin), un type de MOSFET multi-portes non planaire 3D , est issu des recherches de Digh Hisamoto et de son équipe au Hitachi Central Research Laboratory en 1989.

Importance

Les transistors sont les composants actifs clés de pratiquement toute l' électronique moderne . Beaucoup considèrent ainsi le transistor comme l'une des plus grandes inventions du 20ème siècle.

L'invention du premier transistor aux Bell Labs a été nommée IEEE Milestone en 2009. La liste des IEEE Milestones comprend également les inventions du transistor à jonction en 1948 et du MOSFET en 1959.

Le MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur), également connu sous le nom de transistor MOS, est de loin le transistor le plus largement utilisé, utilisé dans des applications allant des ordinateurs et de l' électronique aux technologies de communication telles que les smartphones . Le MOSFET a été considéré comme le transistor le plus important, peut-être l'invention la plus importante en électronique, et la naissance de l'électronique moderne. Le transistor MOS est la pierre angulaire de l' électronique numérique moderne depuis la fin du 20e siècle, ouvrant la voie à l' ère numérique . L' Office américain des brevets et des marques l' appelle "une invention révolutionnaire qui a transformé la vie et la culture dans le monde". Son importance dans la société d'aujourd'hui repose sur sa capacité à être produite en série à l' aide d'un processus hautement automatisé ( fabrication de dispositifs à semi-conducteurs ) qui permet d'obtenir des coûts par transistor étonnamment bas. Les MOSFET sont les objets artificiels les plus produits jamais avec plus de 13 sextillions fabriqués d'ici 2018.

Bien que plusieurs entreprises produisent chacune plus d'un milliard de transistors MOS emballés individuellement (appelés discrets ) chaque année, la grande majorité des transistors sont maintenant produits dans des circuits intégrés (souvent abrégés en IC , micropuces ou simplement puces ), avec des diodes , des résistances , des condensateurs et d'autres composants électroniques , pour produire des circuits électroniques complets. Une porte logique comprend jusqu'à une vingtaine de transistors alors qu'un microprocesseur avancé , à partir de 2021, peut utiliser jusqu'à 39 milliards de transistors ( MOSFET ).

Le faible coût, la flexibilité et la fiabilité du transistor en ont fait un appareil omniprésent. Les circuits mécatroniques transistorisés ont remplacé les dispositifs électromécaniques dans le contrôle des appareils et des machines. Il est souvent plus facile et moins coûteux d'utiliser un microcontrôleur standard et d'écrire un programme informatique pour exécuter une fonction de contrôle que de concevoir un système mécanique équivalent pour contrôler cette même fonction.

Fonctionnement simplifié

Un transistor Darlington s'est ouvert de sorte que la puce de transistor réelle (le petit carré) peut être vue à l'intérieur. Un transistor Darlington est en fait deux transistors sur la même puce. Un transistor est beaucoup plus gros que l'autre, mais les deux sont gros par rapport aux transistors en intégration à grande échelle car cet exemple particulier est destiné aux applications de puissance.
Un schéma de circuit simple pour montrer les étiquettes d'un transistor bipolaire n-p-n.

Un transistor peut utiliser un petit signal appliqué entre une paire de ses bornes pour contrôler un signal beaucoup plus important à une autre paire de bornes. Cette propriété est appelée gain . Il peut produire un signal de sortie plus fort, une tension ou un courant, qui est proportionnel à un signal d'entrée plus faible et ainsi, il peut agir comme un amplificateur . Alternativement, le transistor peut être utilisé pour activer ou désactiver le courant dans un circuit en tant que commutateur à commande électrique , où la quantité de courant est déterminée par d'autres éléments du circuit.

Il existe deux types de transistors, qui présentent de légères différences dans la façon dont ils sont utilisés dans un circuit. Un transistor bipolaire a des bornes étiquetées base , collecteur et émetteur . Un faible courant à la borne de base (c'est-à-dire circulant entre la base et l'émetteur) peut contrôler ou commuter un courant beaucoup plus important entre les bornes du collecteur et de l'émetteur. Pour un transistor à effet de champ , les bornes sont étiquetées grille , source et drain , et une tension à la grille peut contrôler un courant entre la source et le drain.

L'image représente un transistor bipolaire typique dans un circuit. Une charge circulera entre les bornes de l'émetteur et du collecteur en fonction du courant dans la base. Parce qu'en interne les connexions de base et d'émetteur se comportent comme une diode à semi-conducteur, une chute de tension se développe entre la base et l'émetteur alors que le courant de base existe. La quantité de cette tension dépend du matériau du transistor et est appelée V BE .

Transistor comme interrupteur

BJT utilisé comme interrupteur électronique, en configuration émetteur mis à la terre.

Les transistors sont couramment utilisés dans les circuits numériques en tant que commutateurs électroniques qui peuvent être soit dans un état « on » ou « arrêt », à la fois pour les applications à haute puissance telles que les alimentations à découpage et pour les applications à faible puissance telles que les portes logiques . Les paramètres importants pour cette application incluent le courant commuté, la tension gérée et la vitesse de commutation, caractérisée par les temps de montée et de descente .

Dans un circuit de transistor à émetteur mis à la terre, tel que le circuit de commutation de lumière illustré, lorsque la tension de base augmente, les courants d'émetteur et de collecteur augmentent de façon exponentielle. La tension du collecteur chute en raison de la résistance réduite du collecteur à l'émetteur. Si la différence de tension entre le collecteur et l'émetteur était nulle (ou proche de zéro), le courant du collecteur ne serait limité que par la résistance de charge (ampoule) et la tension d'alimentation. C'est ce qu'on appelle la saturation car le courant circule librement du collecteur à l'émetteur. Lorsqu'il est saturé, le commutateur est dit sur .

Fournir un courant de commande de base suffisant est un problème clé dans l'utilisation de transistors bipolaires comme commutateurs. Le transistor fournit un gain de courant, permettant à un courant relativement important dans le collecteur d'être commuté par un courant beaucoup plus faible dans la borne de base. Le rapport de ces courants varie en fonction du type de transistor, et même pour un type particulier, varie en fonction du courant de collecteur. Dans l'exemple de circuit de commutation de lumière illustré, la résistance est choisie pour fournir suffisamment de courant de base pour garantir que le transistor sera saturé.

Dans un circuit de commutation, l'idée est de simuler au plus près l'interrupteur idéal ayant les propriétés d'un circuit ouvert à l'arrêt, du court-circuit à l'état passant et d'une transition instantanée entre les deux états. Les paramètres sont choisis de telle sorte que la sortie "off" est limitée aux courants de fuite trop faibles pour affecter les circuits connectés, la résistance du transistor à l'état "on" est trop petite pour affecter les circuits et la transition entre les deux états est assez rapide ne pas avoir d'effet néfaste.

Transistor comme amplificateur

Circuit amplificateur, configuration à émetteur commun avec un circuit de polarisation diviseur de tension.

L' amplificateur à émetteur commun est conçu pour qu'un petit changement de tension ( V in ) modifie le petit courant à travers la base du transistor dont l'amplification de courant combinée aux propriétés du circuit signifie que de petites variations de V in produisent de grands changements de V dehors .

Diverses configurations d'amplificateurs à transistor unique sont possibles, certaines fournissant un gain de courant, d'autres un gain de tension et d'autres les deux.

Des téléphones portables aux téléviseurs , un grand nombre de produits incluent des amplificateurs pour la reproduction sonore , la transmission radio et le traitement du signal . Les premiers amplificateurs audio à transistors discrets fournissaient à peine quelques centaines de milliwatts, mais la puissance et la fidélité audio ont progressivement augmenté à mesure que de meilleurs transistors devenaient disponibles et que l'architecture des amplificateurs évoluait.

Les amplificateurs audio à transistors modernes pouvant atteindre quelques centaines de watts sont courants et relativement peu coûteux.

Comparaison avec les tubes à vide

Avant le développement des transistors, les tubes à vide (électroniques) (ou au Royaume-Uni, les « vannes thermoioniques » ou simplement les « vannes ») étaient les principaux composants actifs des équipements électroniques.

Avantages

Les principaux avantages qui ont permis aux transistors de remplacer les tubes à vide dans la plupart des applications sont

  • Pas de radiateur cathodique (qui produit la lueur orange caractéristique des tubes), réduisant la consommation d'énergie, éliminant les retards de réchauffement des radiateurs tubulaires et immunisant contre l' empoisonnement et l'épuisement de la cathode .
  • Très petite taille et poids, réduisant la taille de l'équipement.
  • Un grand nombre de transistors extrêmement petits peuvent être fabriqués en un seul circuit intégré .
  • Basses tensions de fonctionnement compatibles avec des batteries de quelques éléments seulement.
  • Des circuits avec une plus grande efficacité énergétique sont généralement possibles. Pour les applications de faible puissance (par exemple, l'amplification de tension) en particulier, la consommation d'énergie peut être très inférieure à celle des tubes.
  • Dispositifs complémentaires disponibles, offrant une flexibilité de conception, y compris des circuits à symétrie complémentaire , impossible avec des tubes à vide.
  • Très faible sensibilité aux chocs mécaniques et aux vibrations, offrant une robustesse physique et éliminant pratiquement les signaux parasites induits par les chocs (par exemple, la microphonie dans les applications audio).
  • Insensible à la rupture d'une enveloppe de verre, aux fuites, au dégazage et à d'autres dommages physiques.

Limites

Les transistors peuvent avoir les limitations suivantes :

  • Ils n'ont pas la mobilité électronique plus élevée offerte par le vide des tubes à vide, ce qui est souhaitable pour un fonctionnement à haute puissance et à haute fréquence - comme celui utilisé dans certains émetteurs de télévision en direct et dans les tubes à ondes progressives utilisés comme amplificateurs dans certains satellites
  • Les transistors et autres dispositifs à semi-conducteurs sont susceptibles d'être endommagés par des événements électriques et thermiques très brefs, y compris des décharges électrostatiques lors de la manipulation. Les tubes à vide sont électriquement beaucoup plus robustes.
  • Ils sont sensibles aux rayonnements et aux rayons cosmiques (des puces spéciales durcies aux rayonnements sont utilisées pour les appareils spatiaux).
  • Dans les applications audio, les transistors n'ont pas la distorsion harmonique inférieure - le soi-disant son de tube  - qui est caractéristique des tubes à vide, et est préféré par certains.

Les types

Classification

Symbole BJT PNP.svg PNP JFET P-Channel Labelled.svg canal P
Symbole BJT NPN.svg NPN JFET N-Channel Labelled.svg N-canal
BJT JFET
Symboles BJT et JFET
IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Étiqueté simplifié.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg canal P
IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Étiqueté simplifié.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg N-canal
MOSFET fr Dép MOSFET
Symboles MOSFET

Les transistors sont classés par

Par conséquent, un transistor particulier peut être décrit comme un commutateur au silicium, à montage en surface, BJT, NPN, basse puissance et haute fréquence .

Mnémotechnique

Pratique mnémotechnique de se rappeler le type de transistor (représentée par un symbole électrique ) implique le sens de la flèche. Pour le BJT , sur un npn symbole transistor, la flèche " N ot P Oint i N" . Sur un pnp symbole transistor, la flèche " P oints i N P roudly". Cependant, cela ne s'applique pas aux symboles de transistors à base de MOSFET car la flèche est généralement inversée (c'est-à-dire la flèche pour les points npn à l'intérieur).

Transistor à effet de champ (FET)

Fonctionnement d'un FET et de sa courbe I d - V g . Au début, lorsqu'aucune tension de grille n'est appliquée, il n'y a pas d'électrons d'inversion dans le canal, donc l'appareil est éteint. À mesure que la tension de grille augmente, la densité électronique d'inversion dans le canal augmente, le courant augmente et le dispositif s'allume.

Le transistor à effet de champ , parfois appelé transistor unipolaire , utilise soit des électrons (dans le FET à canal n ) soit des trous (dans le FET à canal p ) pour la conduction. Les quatre bornes du FET sont nommées source , grille , drain et corps ( substrat ). Sur la plupart des FET, le corps est connecté à la source à l'intérieur du boîtier, et cela sera supposé pour la description suivante.

Dans un FET, le courant drain-source circule via un canal conducteur qui relie la région source à la région drain . La conductivité varie en fonction du champ électrique produit lorsqu'une tension est appliquée entre les bornes de grille et de source, le courant circulant entre le drain et la source est donc contrôlé par la tension appliquée entre la grille et la source. À mesure que la tension grille-source ( V GS ) augmente, le courant drain-source ( I DS ) augmente de façon exponentielle pour V GS en dessous du seuil, puis à un taux à peu près quadratique : ( I DS ∝ ( V GSV T ) 2 , où V T est la tension de seuil à laquelle le courant de drain commence) dans la région " à charge d'espace limitée " au-dessus du seuil. Un comportement quadratique n'est pas observé dans les appareils modernes, par exemple, au nœud technologique 65 nm .

Pour un faible bruit à bande passante étroite , la résistance d'entrée plus élevée du FET est avantageuse.

Les FET sont divisés en deux familles : le FET à jonction ( JFET ) et le FET à grille isolée (IGFET). L'IGFET est plus communément appelé FET métal-oxyde-semiconducteur ( MOSFET ), reflétant sa construction d'origine à partir de couches de métal (la grille), d'oxyde (l'isolant) et de semi-conducteur. Contrairement aux IGFET, la porte JFET forme une diode p–n avec le canal qui se trouve entre la source et les drains. Fonctionnellement, cela fait du JFET à canal n l'équivalent à l'état solide de la triode à tube à vide qui, de la même manière, forme une diode entre sa grille et sa cathode . De plus, les deux appareils fonctionnent en mode d'épuisement , ils ont tous deux une impédance d'entrée élevée et ils conduisent tous deux du courant sous le contrôle d'une tension d'entrée.

Les FET métal-semi-conducteur ( MESFET ) sont des JFET dans lesquels la jonction p-n polarisée en inverse est remplacée par une jonction métal-semi-conducteur . Ceux-ci, ainsi que les HEMT (transistors à haute mobilité électronique, ou HFET), dans lesquels un gaz d'électrons bidimensionnel à très haute mobilité des porteurs est utilisé pour le transport de charges, sont particulièrement adaptés à une utilisation à très hautes fréquences (plusieurs GHz).

FETs sont en outre divisés en en mode d'appauvrissement et à mode d'enrichissement types, selon que le canal est mis sous tension ou hors tension avec zéro grille-source de tension. Pour le mode d'amélioration, le canal est désactivé avec une polarisation nulle et un potentiel de grille peut « améliorer » la conduction. Pour le mode d'épuisement, le canal est activé avec une polarisation nulle et un potentiel de grille (de polarité opposée) peut « épuiser » le canal, réduisant ainsi la conduction. Pour l'un ou l'autre mode, une tension de grille plus positive correspond à un courant plus élevé pour les appareils à canal n et à un courant plus faible pour les appareils à canal p. Presque tous les JFET sont en mode d'épuisement car les jonctions de diodes seraient polarisées en direct et conductrices s'il s'agissait de dispositifs en mode d'amélioration, tandis que la plupart des IGFET sont de type en mode d'amélioration.

FET métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET)

Le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET, MOS-FET ou MOS FET), également connu sous le nom de transistor métal-oxyde-silicium (transistor MOS ou MOS), est un type de transistor à effet de champ qui est fabriqué par l' oxydation contrôlée d'un semi - conducteur , typiquement du silicium . Il possède une grille isolée , dont la tension détermine la conductivité de l'appareil. Cette capacité à changer la conductivité avec la quantité de tension appliquée peut être utilisée pour amplifier ou commuter des signaux électroniques . Le MOSFET est de loin le transistor le plus courant et le bloc de construction de base de la plupart des appareils électroniques modernes . Le MOSFET représente 99,9% de tous les transistors dans le monde.

Transistor à jonction bipolaire (BJT)

Les transistors bipolaires sont ainsi nommés car ils conduisent en utilisant à la fois des porteurs majoritaires et minoritaires . Le transistor à jonction bipolaire, le premier type de transistor à être produit en série, est une combinaison de deux diodes à jonction et est formé soit d'une fine couche de semi-conducteur de type p pris en sandwich entre deux semi-conducteurs de type n (un n-p-n transistor), ou une fine couche de semi-conducteur de type n prise en sandwich entre deux semi-conducteurs de type p (transistor ap-n-p). Cette construction produit deux jonctions p–n : une jonction base-émetteur et une jonction base-collecteur, séparées par une mince région de semi-conducteur connue sous le nom de région de base. (Deux diodes à jonction câblées ensemble sans partager une région semi-conductrice intermédiaire ne feront pas un transistor).

Les BJT ont trois bornes, correspondant aux trois couches de semi-conducteur : un émetteur , une base et un collecteur . Ils sont utiles dans les amplificateurs car les courants au niveau de l'émetteur et du collecteur sont contrôlables par un courant de base relativement faible. Dans un transistor n-p-n fonctionnant dans la région active, la jonction émetteur-base est polarisée en direct (les électrons et les trous se recombinent à la jonction), et la jonction base-collecteur est polarisée en inverse (les électrons et les trous sont formés à, et s'éloigner de la jonction), et des électrons sont injectés dans la région de base. Comme la base est étroite, la plupart de ces électrons diffuseront dans la jonction base-collecteur polarisée en inverse et seront balayés dans le collecteur ; peut-être qu'un centième des électrons se recombinera dans la base, qui est le mécanisme dominant dans le courant de base. De plus, comme la base est légèrement dopée (par rapport aux régions d'émetteur et de collecteur), les taux de recombinaison sont faibles, permettant à plus de porteurs de diffuser à travers la région de base. En contrôlant le nombre d'électrons qui peuvent quitter la base, le nombre d'électrons entrant dans le collecteur peut être contrôlé. Le courant du collecteur est d'environ (gain de courant de l'émetteur commun) fois le courant de base. Il est généralement supérieur à 100 pour les transistors à petit signal, mais peut être plus petit dans les transistors conçus pour les applications à haute puissance.

Contrairement au transistor à effet de champ (voir ci-dessous), le BJT est un dispositif à faible impédance d'entrée. De plus, à mesure que la tension base-émetteur ( V BE ) augmente, le courant base-émetteur et donc le courant collecteur-émetteur ( I CE ) augmentent de manière exponentielle selon le modèle de diode Shockley et le modèle Ebers-Moll . En raison de cette relation exponentielle, le BJT a une transconductance plus élevée que le FET.

Les transistors bipolaires peuvent être rendus conducteurs par exposition à la lumière car l'absorption de photons dans la région de base génère un photocourant qui agit comme un courant de base ; le courant de collecteur est d'environ β fois le photocourant. Les appareils conçus à cet effet ont une fenêtre transparente dans l'emballage et sont appelés phototransistors .

Utilisation des MOSFET et des BJT

Le MOSFET est de loin le transistor le plus largement utilisé pour les circuits numériques , ainsi que des circuits analogiques , ce qui représente 99,9% de tous les transistors dans le monde. Le transistor à jonction bipolaire (BJT) était auparavant le transistor le plus couramment utilisé dans les années 1950 à 1960. Même après que les MOSFET soient devenus largement disponibles dans les années 1970, le BJT est resté le transistor de choix pour de nombreux circuits analogiques tels que les amplificateurs en raison de leur plus grande linéarité, jusqu'à ce que les dispositifs MOSFET (tels que les MOSFET de puissance , LDMOS et RF CMOS ) les remplacent pour la plupart des puissances. applications électroniques dans les années 80. Dans les circuits intégrés , les propriétés souhaitables des MOSFET leur ont permis de capturer presque toutes les parts de marché des circuits numériques dans les années 1970. Les MOSFET discrets (généralement les MOSFET de puissance) peuvent être appliqués dans les applications à transistors, y compris les circuits analogiques, les régulateurs de tension, les amplificateurs, les émetteurs de puissance et les pilotes de moteur.

Autres types de transistors

Symbole de transistor créé sur la chaussée portugaise à l' Université d'Aveiro

Normes/spécifications de numérotation des pièces

Les types de transistors peuvent être analysés à partir du numéro de pièce. Il existe trois principales normes de dénomination des semi-conducteurs. Dans chacun, le préfixe alphanumérique fournit des indices sur le type d'appareil.

Conseil conjoint d'ingénierie des dispositifs électroniques (JEDEC)

Le système américain de numérotation des pièces JEDEC a évolué dans les années 1960. Les numéros de dispositifs à transistors JEDEC EIA-370 commencent généralement par "2N", indiquant un dispositif à trois bornes (les transistors à effet de champ à double grille sont des dispositifs à quatre bornes, commencez donc par 3N), puis un chiffre 2, 3 ou 4 numéro séquentiel sans signification quant aux propriétés de l'appareil (bien que les premiers appareils avec de faibles nombres aient tendance à être du germanium). Par exemple, 2N3055 est un transistor de puissance au silicium n-p-n, 2N1301 est un transistor de commutation au germanium ap-n-p. Un suffixe de lettre (comme "A") est parfois utilisé pour indiquer une variante plus récente, mais gagne rarement des groupements.

Tableau des préfixes JEDEC
Préfixe Type et utilisation
1N dispositif à deux bornes, tel que des diodes
2N dispositif à trois bornes, tel que des transistors ou des transistors à effet de champ à grille unique
3N dispositif à quatre bornes, tel que des transistors à effet de champ à double grille

Norme industrielle japonaise (JIS)

La spécification japonaise JIS-C-7012 pour les numéros de pièce des transistors commence par "2S", par exemple 2SD965, mais parfois le préfixe "2S" n'est pas marqué sur l'emballage - un 2SD965 peut uniquement être marqué "D965" ; un 2SC1815 peut être répertorié par un fournisseur comme simplement « C1815 ». Cette série a parfois des suffixes (tels que "R", "O", "BL", signifiant "rouge", "orange", "bleu", etc.) pour désigner des variantes, telles que des groupements h FE (gain) plus serrés .

Tableau des préfixes des transistors JIS
Préfixe Type et utilisation
2SA haute fréquence p–n–p BJT
2SB audio-fréquence p–n–p BJT
2SC BJT n–p–n haute fréquence
2SD audio-fréquence n–p–n BJT
2SJ FET à canal P (JFET et MOSFET)
2SK FET à canal N (JFET et MOSFET)

Association européenne des fabricants de composants électroniques (EECA)

Le schéma de numérotation des pièces européen EECA a été hérité de Pro Electron lors de sa fusion avec l'EECA en 1983. Ce schéma de numérotation des pièces commence par deux lettres : la première donne le type de semi-conducteur (A pour le germanium, B pour le silicium et C pour les matériaux comme GaAs) ; la deuxième lettre indique l'utilisation prévue (A pour diode, C pour transistor à usage général, etc.). Un numéro de séquence à 3 chiffres (ou une lettre puis deux chiffres, pour les types industriels) suit. Avec les premiers appareils, cela indiquait le type de boîtier. Des suffixes peuvent être utilisés, avec une lettre (par exemple "C" signifie souvent h FE élevé , comme dans : BC549C) ou d'autres codes peuvent suivre pour montrer le gain (par exemple BC327-25) ou la tension nominale (par exemple BUK854-800A). Les préfixes les plus courants sont :

Tableau des préfixes des transistors EECA
Préfixe Type et utilisation Exemple Équivalent Référence
CA Germanium , transistor AF à petit signal AC126 NTE102A
UN D Germanium, transistor de puissance AF AD133 NTE179
UN F Germanium, transistor RF à petit signal AF117 NTE160
AL Germanium, transistor de puissance RF ALZ10 NTE100
COMME Germanium, transistor de commutation ASY28 NTE101
UA Germanium, transistor de commutation de puissance AU103 NTE127
avant JC Silicium , transistor à petit signal ("usage général") BC548 2N3904 Fiche technique
BD Silicium, transistor de puissance BD139 NTE375 Fiche technique
BF Silicium, RF (haute fréquence) BJT ou FET BF245 NTE133 Fiche technique
BS Silicium, transistor de commutation (BJT ou MOSFET ) BS170 2N7000 Fiche technique
BL Silicium, haute fréquence, haute puissance (pour les émetteurs) BLW60 NTE325 Fiche technique
BU Silicium, haute tension (pour circuits de déviation horizontale CRT ) BU2520A NTE2354 Fiche technique
FC Arséniure de gallium , transistor micro - ondes à petit signal ( MESFET CF739 - Fiche technique
CL Arséniure de gallium, transistor de puissance hyperfréquence ( FET ) CLY10 - Fiche technique

Propriétaire

Les fabricants d'appareils peuvent avoir leur propre système de numérotation, par exemple CK722 . Étant donné que les appareils sont de seconde source , le préfixe d'un fabricant (comme "MPF" dans MPF102, qui à l'origine dénoterait un Motorola FET ) est désormais un indicateur peu fiable de qui a fabriqué l'appareil. Certains schémas de nommage propriétaires adoptent des parties d'autres schémas de nommage, par exemple, un PN2222A est un (peut-être Fairchild Semiconductor ) 2N2222A dans un boîtier en plastique (mais un PN108 est une version en plastique d'un BC108, pas un 2N108, tandis que le PN100 n'est pas lié à autres appareils xx100).

Les numéros de pièces militaires se voient parfois attribuer leurs codes, comme le British Military CV Naming System .

Les fabricants qui achètent un grand nombre de pièces similaires peuvent leur fournir des « numéros de maison », identifiant une spécification d'achat particulière et pas nécessairement un appareil avec un numéro d'enregistrement normalisé. Par exemple, une pièce HP 1854,0053 est un transistor (JEDEC) 2N2218 auquel est également attribué le numéro CV : CV7763

Problèmes de nommage

Avec autant de schémas de nommage indépendants et l'abréviation des numéros de pièce lorsqu'ils sont imprimés sur les appareils, une ambiguïté se produit parfois. Par exemple, deux dispositifs différents peuvent être marqués "J176" (l'un le J176 JFET basse puissance , l'autre le MOSFET 2SJ176 plus puissant).

Comme les transistors "à trous traversants" plus anciens reçoivent des homologues emballés à montage en surface , ils ont tendance à se voir attribuer de nombreux numéros de pièce différents car les fabricants ont leurs systèmes pour faire face à la variété des dispositions de brochage et des options pour n-p-n + double ou apparié appareils p–n–p dans un seul pack. Ainsi, même lorsque l'appareil d'origine (comme un 2N3904) peut avoir été attribué par une autorité de normalisation et bien connu des ingénieurs au fil des ans, les nouvelles versions sont loin d'être standardisées dans leur appellation.

Construction

Matériau semi-conducteur

Caractéristiques des matériaux semi-conducteurs

Matériau semi-conducteur

Tension directe de jonction
V @ 25 °C
Mobilité électronique
m 2 /(V·s) @ 25 °C
Mobilité du trou
m 2 /(V·s) @ 25 °C
Max.
temp. de jonction
°C
0,27 0,39 0,19 70 à 100
Si 0,71 0,14 0,05 150 à 200
GaAs 1.03 0,85 0,05 150 à 200
Jonction Al-Si 0,3 - - 150 à 200

Les premiers BJT étaient fabriqués à partir de germanium (Ge). Les types silicium (Si) prédominent actuellement, mais certaines versions hyperfréquences et hautes performances avancées utilisent désormais le matériau semi-conducteur composé d' arséniure de gallium (GaAs) et l' alliage semi - conducteur silicium-germanium (SiGe). Le matériau semi-conducteur à élément unique (Ge et Si) est décrit comme élémentaire .

Les paramètres approximatifs des matériaux semi-conducteurs les plus courants utilisés pour fabriquer des transistors sont indiqués dans le tableau ci-contre. Ces paramètres varieront avec une augmentation de la température, du champ électrique, du niveau d'impureté, de la contrainte et de divers autres facteurs.

La tension directe de jonction est la tension appliquée à la jonction émetteur-base d'un BJT pour que la base conduise un courant spécifié. Le courant augmente de façon exponentielle à mesure que la tension directe de jonction augmente. Les valeurs données dans le tableau sont typiques pour un courant de 1 mA (les mêmes valeurs s'appliquent aux diodes semi-conductrices). Plus la tension directe de jonction est faible, mieux c'est, car cela signifie qu'il faut moins de puissance pour "piloter" le transistor. La tension directe de jonction pour un courant donné diminue avec une augmentation de la température. Pour une jonction silicium typique, le changement est de -2,1 mV/°C. Dans certains circuits, des éléments de compensation spéciaux ( capteurs ) doivent être utilisés pour compenser de tels changements.

La densité de porteuses mobiles dans le canal d'un MOSFET est fonction du champ électrique formant le canal et de divers autres phénomènes tels que le niveau d'impureté dans le canal. Certaines impuretés, appelées dopants, sont introduites délibérément dans la fabrication d'un MOSFET, pour contrôler le comportement électrique du MOSFET.

Les colonnes mobilité des électrons et mobilité des trous montrent la vitesse moyenne à laquelle les électrons et les trous diffusent à travers le matériau semi-conducteur avec un champ électrique de 1 volt par mètre appliqué à travers le matériau. En général, plus la mobilité des électrons est élevée, plus le transistor peut fonctionner rapidement. Le tableau indique que Ge est un meilleur matériau que Si à cet égard. Cependant, Ge présente quatre défauts majeurs par rapport au silicium et à l'arséniure de gallium :

  1. Sa température maximale est limitée.
  2. Il a un courant de fuite relativement élevé .
  3. Il ne supporte pas les hautes tensions.
  4. Il est moins adapté à la fabrication de circuits intégrés.

Parce que la mobilité des électrons est supérieure à la mobilité des trous pour tous les matériaux semi-conducteurs, un transistor bipolaire n-p-n donné a tendance à être plus rapide qu'un transistor p-n-p équivalent . GaAs a la mobilité électronique la plus élevée des trois semi-conducteurs. C'est pour cette raison que GaAs est utilisé dans les applications à haute fréquence. Un développement de FET relativement récent, le transistor à haute mobilité électronique (HEMT), a une hétérostructure (jonction entre différents matériaux semi-conducteurs) d'arséniure de gallium d'aluminium (AlGaAs)-arséniure de gallium (GaAs) qui a deux fois la mobilité électronique d'un GaAs- jonction barrière métallique. En raison de leur vitesse élevée et de leur faible bruit, les HEMT sont utilisés dans les récepteurs satellites fonctionnant à des fréquences autour de 12 GHz. Les HEMT à base de nitrure de gallium et de nitrure d' aluminium et de gallium (HEMT AlGaN/GaN) offrent une mobilité électronique encore plus élevée et sont en cours de développement pour diverses applications.

Les valeurs de température de jonction maximales représentent une section transversale tirée des fiches techniques de divers fabricants. Cette température ne doit pas être dépassée ou le transistor peut être endommagé.

La jonction Al-Si fait référence à la diode barrière métal-semi-conducteur à grande vitesse (aluminium-silicium), communément appelée diode Schottky . Ceci est inclus dans le tableau car certains IGFET de puissance au silicium ont une diode Schottky inverse parasite formée entre la source et le drain dans le cadre du processus de fabrication. Cette diode peut être gênante, mais elle est parfois utilisée dans le circuit.

Emballage

Transistors discrets assortis
Soviétique KT315b transistors

Les transistors discrets peuvent être des transistors emballés individuellement ou des puces de transistor non emballées (matrices).

Les transistors sont disponibles dans de nombreux boîtiers semi-conducteurs différents (voir image). Les deux catégories principales sont les trous traversants (ou plombés ) et les montages en surface , également appelés dispositifs de montage en surface ( SMD ). Le Ball Grid Array ( BGA ) est le dernier boîtier à montage en surface (actuellement uniquement pour les grands circuits intégrés). Il a des "boules" de soudure sur la face inférieure à la place des fils. Parce qu'ils sont plus petits et ont des interconnexions plus courtes, les CMS ont de meilleures caractéristiques haute fréquence mais des puissances nominales plus faibles.

Les boîtiers de transistors sont en verre, en métal, en céramique ou en plastique. L'emballage dicte souvent la puissance nominale et les caractéristiques de fréquence. Les transistors de puissance ont des boîtiers plus gros qui peuvent être fixés à des dissipateurs thermiques pour un refroidissement amélioré. De plus, la plupart des transistors de puissance ont le collecteur ou le drain physiquement connecté au boîtier métallique. À l'autre extrême, certains transistors micro - ondes montés en surface sont aussi petits que des grains de sable.

Souvent, un type de transistor donné est disponible en plusieurs boîtiers. Les boîtiers de transistors sont principalement standardisés, mais l'affectation des fonctions d'un transistor aux bornes ne l'est pas : d'autres types de transistors peuvent affecter d'autres fonctions aux bornes du boîtier. Même pour le même type de transistor, l'affectation des bornes peut varier (normalement indiquée par une lettre suffixe au numéro de pièce, qe BC212L et BC212K).

De nos jours, la plupart des transistors sont disponibles dans une large gamme de boîtiers CMS, en comparaison, la liste des boîtiers traversants disponibles est relativement petite, voici une liste restreinte des boîtiers de transistors traversants les plus courants par ordre alphabétique : ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO220, TO247, TO251, TO262, ZTX851.

Des puces de transistor non emballées (puce) peuvent être assemblées dans des dispositifs hybrides. Le module IBM SLT des années 1960 est un exemple d'un tel module de circuit hybride utilisant une puce de transistor (et de diode) passivée en verre. D'autres techniques d'encapsulation pour les transistors discrets sous forme de puces comprennent l'attachement direct de puce (DCA) et la puce sur carte (COB).

Transistors souples

Les chercheurs ont fabriqué plusieurs types de transistors flexibles, dont des transistors organiques à effet de champ . Les transistors flexibles sont utiles dans certains types d' écrans flexibles et d'autres appareils électroniques flexibles .

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Livres
  • Horowitz, Paul & Hill, Winfield (2015). L'art de l'électronique (3 éd.). La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 978-0521809269.CS1 maint : plusieurs noms : liste des auteurs ( lien )
  • Amos SW, James MR (1999). Principes des circuits à transistors . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-4427-3.
  • Riordan, Michael & Hoddeson, Lillian (1998). Feu de cristal . WW Norton & Company Limited. ISBN 978-0-393-31851-7. L'invention du transistor et la naissance de l'ère de l'information
  • Warnes, Lionel (1998). Electronique analogique et numérique . Macmillan Press Ltd. ISBN 978-0-333-65820-8.
  • Le transistor de puissance - Température et transfert de chaleur ; 1ère édition ; John McWane, Dana Roberts, Malcom Smith ; McGraw-Hill ; 82 pages ; 1975 ; ISBN  978-0-07-001729-0 . (archiver)
  • Analyse de circuits de transistors - Théorie et solutions à 235 problèmes ; 2e édition ; Alfred Gronner ; Simon et Schuster ; 244 pages ; 1970. (archives)
  • Physique et circuits des transistors ; RL Riddle et MP Ristenbatt; Prentice Hall; 1957.
Périodiques
Databooks

Liens externes

Brochages