Composants actifs
Le transistor (inventé en 1948 par les physiciens américainsJohn Bardeen, Walter Houser Brattain et William Shockley) aremplacé, pratiquement partout, le tube électronique. C’estcelui dont les processus de fabrication ont été les premiers àêtre dominés industriellement. Il a pour inconvénient majeurune consommation relativement importante, ce qui limite la densitéd’intégration. Formé par l'association de deux jonctions P-Nplacées en opposition (transistor N-P-N ou P-N-P), il contrôlele déplacement de charges électriques à travers les jonctions,entre un émetteur et un collecteur, le contrôle étant assurépar une troisième électrode appelée base.
1.2.Symboles
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Comme unediode , le transistor utilise les propriétés des semi-conducteursqui le compose ( silicium et anciennement le germanium ).
Untransistor comprend 3 éléments :
- l' ÉmetteurE qui émet les électrons
- le Collecteur C qui recueille les électrons
- la Base B qui contrôle le passage des électrons entre E et C
Quelle que soit l’application, on distinguera toujours,lors de l’étude du fonctionnement d’un transistor, lapartie commande ( base ) et la partie effet de la commande (collecteur, émetteur ).
1.3.1.Modes de Fonctionnementsd' un transistors NPN
Pour fairefonctionner un transistor il faut le polariser , c'est a dire qu'on lui applique des tensions différentes sur ses broches E,B,C .
Pour un transistorNPN :
Pour une tension Vce constante , si Vbe varie alors Ib variesuivant une courbe analogue aux caractéristiques d' une diode .Celadonne la caractéristique d' entrée Ib( Vbe ) :
1.3.1.1.Etatbloqué :
Si le transistor est polarisé en inverse Veb , aucun courant ne circule dans letransistor et il est bloqué .De même sila tension Vbe est inférieur à la tension de seuil dutransistor ou si le courant de base est à zero , le transistorse comporte comme un circuit ouvert de telle sorte que lecollecteur est isolé de l'émetteur.
1.3.1.1.Etatsaturé :
En saturation, les deuxjonctions du transistor conduisent
Ib > Ibsat
Vce = Vcesat
Ic > 0
La caractéristique desortie à Ib constant donne aussi dans sa partie linéaire la caractéristiquede transfert Ic ( Ib ) et permet de déterminer le gainou l'amplification en courant du transistor ß ( bêta )
Ic = ß Ib et de plus Ie = Ic + Ib et Vce = Vcb + Vbe
Le transistor est bloquélorsque ses deux jonctions sont en polarisation inverse (voir fig.12).
Le transistor est en fonctionnementnormal direct lorsque la jonction de commande BE esten polarisation directe et que la jonction BC est en polarisationinverse (voir fig. 12).
Le transistor est en fonctionnement normal inverselorsque la jonction de commande BE est en polarisation inverse etque la jonction BC est en polarisation directe (voir fig. 12).
Le transistor est saturé lorsque sesdeux jonctions sont en polarisation directe (voir fig. 12).
Figure 12: fonctionnements1.3.2 Lesmontages
| IE = IB + IC | (mA.) |
a) Montage Base Commune (BC)
 montage BC | La base est commune entre l'entrée et la sortie du montage. VCB = 9.3 V. VEB = - VBE = - 0.7 V Gain en courant du montage : IC/IE = 6.00 mA/6.06 mA = 0.99 |
 montage EC | L'émetteur est commun entre l'entrée et la sortie du montage. VCE = 10 V. ; VBE = 0.7 V Gain en courant du montage : IC/IB = 6.00 mA/60 µA = 100 |
 | Le collecteur est commun entre l'entrée et la sortie du montage. VEC = - VCE = -10 V. ; VBC = - VCB = - 9.3 V Gain en courant du montage : IE/IB = 6.06 mA/60 µA = 101 |
Lesvaleurs des transistors sont inscrittent dessus sous forme decodes , il existe une multitude de transistors sous de nombreusesformes ou " boîtier " désignant le type d' encapsulage d' un transistor et en fin il y a des brochages différentspour un même boîtier .Au fil des ans , les fabricants ontcommercialisé probablement plus de 100 000 transistors portantdes noms distincts .Devant la prolifération des codes maisonquelques normes ont été créées afin de standardiser le marché.
1.4.1.Standart USA CodageJEDEC
Le codage JEDEC ( Joint Electron DeviceEngineering Council ) né de l'organisation américaineEIA a ouvert un catalogue enregistrant les composants préfixéspar 1N pour les diodes et 2N pour les transistors , thyristors ettriacs .En fait la lettre est toujours N,le chiffre est égal au nombre de broches moins un ou au nombrede jonctions dont dispose le circuit .
Cette codification prend la forme chiffre,lettre, numéro de série, [suffixe].
Exemples de transistors : 2N2222A ,2N3055 ETC..
Le chiffre .La lettre N .Le numéro de sériecompris entre 100 et 9999 ne signifie rien de particulier si ce n'estune idée de la date d'introduction du circuit. Le suffixe (optionnel)indique le groupe de gain (hfe) du circuit
A = Faible gain
B = Gain médium
C = Gain élevé
l'absence de suffixe signifie un gain quelconque.
1.4.2.StandartEurope Pro Electron
L' Association internationale Pro Électron a créé le mêmetype de catalogue d' enregistrement mais le codage est différent, la premier lettre désigne le type de matériaux et la deuxièmelettre designer la fonction puis vient le n° de série avec unelettre en plus suivant le gain du transistor .
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1.4.3.Standart Japonais JIS
L'organisme Japonais Japanese industrial standards ( JIS )a réalisé un mixage des deux méthodes précédentes , les nomsdes transistors sont préfixés par le code 2S suivi parune lettre puis le numéro de série .
| Transistors | 1er lettre |
| 2S | A = PNP haute fréquence B = PNP basse fréquence C = NPN haute fréquence D = NPN basse fréquence |
SE: Diodes
SF: Thyristors
SG: Gunn
SH: UJT - Unijonction
SJ: P-channel FET/MOSFET
SK: N-channel FET/MOSFET
SM: Triac
SQ: LED
SR: Rectifier
SS: Diodes Signal
ST: Diodes Avalanche
SV: Varicaps
SZ: Diodes Zener
En ANNEXE
A l'exception de JEDEC, les fabricantsaux normes JIS et Pro-electron introduisent souvent leur proprestypes pour des raisons commerciales (par exemple afin de placerleur nom dans la référence du circuit). Les préfixes de marqueles plus communs sont:
MJ: Motorola , puissance boîtier métal
MJE: Motorola, puissance boîtier plastique
MPS: Motorola faible puissance boîtier plastique
MRF: Motorola transistors HF, VHF et micro-ondes
TIP: Texas Instruments transistor de puissance boîtier plastique
TIPL: Texas Instruments transistor de puissance planar
TIS: Texas Instruments transistor faible signal boîtierplastique
ZT, ZTX: Ferranti
1.4.4.Les CMS
En raison de leurs faibles dimensions , les composants àmontage en surface ( CMS ) ne peuvent recevoir de marquagecomplet ; c' est pourquoi les fabricants leur appliquent un codesur quatre caractères alphanumériques au maximum .
Attention : le même code de marquage peut entre appliqué pardivers fabricants à des composants différents ; aussi devra ton examiner l'origine des équipements ou des schémas pour déterminerla concordance des codes .Certains fabricants introduisent unelettre supplémentaire en minuscule pour indiquer l' origine ;exemple p pour Philips ou s pour Siemens .
Exemples de transistors :
1Mp boîtier SOT23 = BC848 NPN équivalent àBC548 fabriquant Philips
LG boîtier SOT23 = BF775A NPN fabriquantSiemens
1.4.5.Les Boîtiers ( Package)
Il existe au moins 200 types de boîtiers de base plus oumoins différent suivant le fabriquant pour les transistors ,mais beaucoup sont très peut utilisé .Voici les principaux boîtiers
1.4.6.Les brochages
Pour un mêmeboîtier TO 92 , on trouve 5 brochages différents suivants lesmodèles de transistors .
1.4.7.Extrait de fiche technique
1.5.Variantes
1.5.1. Le transistor bipolaire àgrille isolée ou IGBT ( Insulated GateBipolar Transistor ) :
À côté de des transistors dits bipolaires, il existe unautre type de transistors dits transistors à effet de champ (TECou FET Field Effect Transistor ), dans lesquelsle passage du courant à travers un canal continu reliant lasource au drain est en fait contrôlé par le champ créé parune troisième électrode, la grille située sur le canal. Dansla version MOS (metal oxide semi-conductor), dece type de transistors, la grille est une mince couche d'aluminiumséparée par un isolant du canal. Les transistors à effet dechamp sont facilement miniaturisables et permettent desamplifications élevées.
1.5.2. Le transistor à effet de champà jonction ( depuis 1952 ) : Il est aussi appelé JFET( Junction Field Effect Transistor ).
1.5.3. Le transistor à effet de champà grille isolée : Connu dans son principe depuis 1930,sa fabrication n’a été dominée qu’à partir des années60. Il est aussi appelé MOSFET ( Metal OxydeSemiconductor Field Effect Transistor ). Grâce à une géométriesimple et une consommation pouvant être très faible, c’estle composant élémentaire de tous les circuits intégrés à trèsgrande échelle ( VLSI ).
1.5.4. Le transistor unijonction
1.5.5. les transistors Darlingtons
1.5.6. les phototransistors
1.5.7. les photocoupleurs
1.6. Utilisations
Pour tester un transistor bipolaire ont peut le comparer à 2diodes en séries :
Interrupteur commandé :
c’est le cas des circuits logiques où l’état de l’interrupteurpermet de modifier la valeur d’une variable binaire
Source de courant commandée :
c’est prioritairement le cas des circuits analogiques
Amplificateur de signal :
fonction amplification linéaire, en modulant le courant baseautour d'une valeur, on contient une modulation plus importantedu courant collecteur
2.1.Composition
Fabrication des transistors
Étant donné la sensibilité des propriétés des semi-conducteurs auxmoindres impuretés et aux imperfections cristallines, il fautles fabriquer à partir de monocristaux parfaits et d'une trèsgrande pureté. Le matériau poly cristallin impur, préparé parles procédés métallurgiques, est d'abord raffiné par le procédéde fusion de zone ; dans un lingot allongé contenu dans unenacelle, on fait fondre une tranche d'une épaisseur de l'ordredu centimètre, généralement par induction haute fréquence ;en déplaçant d'un mouvement lent et uniforme la source dechaleur, la zone fondue se propage dans le barreau d'une extrémitéà l'autre, balayant en même temps les impuretés, qui vont seconcentrer dans la queue du lingot. Les semi-conducteurs volatils,comme le sélénium, sont raffinés par distillation sous vide.
Le matériau, très pur, doit ensuite être mis sous forme d'ununique gros cristal. La méthode la plus couramment utilisée,dite méthode de Czochralski, consiste à plonger l'extrémité d'ungerme mono cristallin dans le bain de semi-conducteur en fusiondont la température est réglée avec une grande précision ;on " tire " alors le cristal en remontant trèslentement le germe (à une vitesse de quelques centimètres parheure) tout en le faisant tourner ; on parvient, enprogrammant la température, à augmenter le diamètre de lacarotte à partir de celui du germe initial - jusqu'à unedizaine de centimètres dans le cas du silicium ; lalongueur maximale des carottes est proche du mètre. On profitedu tirage pour doper légèrement (ajouter une très petitequantité d'impuretés) le semi-conducteur, de type N ou P, quitte à modifier ce dopage,dans les régions voulues, lors des phases ultérieures de la préparationdes composants.
Le monocristal est alors découpé, à l'aide d'un abrasif audiamant, en tranches de quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur,qui sont ensuite polies mécaniquement et chimiquement pour éliminerla région perturbée et polluée en surface par le sciage.
L'enchaînement des opérations suivantes dépend dudispositif envisagé, mais il vise toujours à préparer, sur unetranche, plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de pucesidentiques, qui sont ensuite séparées par sciage ou par découpageau faisceau laser ou électronique. Ces opérations consistent enune suite d'oxydations, de masquages et de diffusions, en nombrevariable selon la complexité du composant à réaliser. L'oxydationconsiste à former une couche superficielle de silice protectrice,par chauffage en atmosphère oxydante. Cette couche doit êtreensuite supprimée en certains endroits, par attaque chimique ;pour cela, on protège les parties à conserver par une pelliculeobtenue par un procédé photographique en éclairant, à traversun masque reproduisant le dessin à obtenir, une couche de résinephotosensible déposée sur la tranche ; une attaque à l'acidefluorhydrique enlève la couche de silice, découvrant des fenêtrespar où va s'opérer la diffusion. L'opération suivante, ladiffusion, permet de doper le semi-conducteur à la concentrationvoulue, et ce jusqu'à une profondeur déterminée, en chauffantles plaquettes dans une atmosphère contenant l'impureté àfaire pénétrer. En répétant cette suite d'opérations, onparvient à implanter les diverses régions N et P plus ou moinsdopées, et à conserver les pellicules d'oxyde là où c'est nécessaire.
Un autre procédé, plus récent, consiste à implanter lesimpuretés par bombardement ionique sous vide. Les profils dedopage ainsi obtenus sont plus nets que par diffusion, et la résolution,c'est-à-dire la petitesse des motifs réalisables, est plusgrande, ce qui permet tout à la fois de diminuer l'encombrement,d'augmenter le nombre de transistors, de diodes et de résistancespar unité de surface, et d'augmenter la rapidité defonctionnement (par la diminution des capacités parasites).
Il faut finalement réaliser les contacts métalliques, par dépôtd'aluminium sous vide suivi d'un nouveau masquage et d'unenouvelle attaque chimique. On peut alors séparer les puces, quisont ensuite fixées sur une embase portant les broches de sortie.Ces broches sont réunies aux métallisations voulues de la pucepar des fils d'or très fins, qui sont soudés sous microscope.Après un test de bon fonctionnement, le composant semi-conducteurest enfermé dans un boîtier métallique ou enrobé dans unematière plastique ayant un double rôle de protection mécaniqueet chimique.
Les différents matériaux semi-conducteurs
Le premier semi-conducteur utilisé à l'échelle industrielledans les dispositifs électroniques est toujours le silicium. Matériaux fiableet résistant, très courant et bon marché, il a été au coeurde la révolution informatique liée à l'avènement des circuitsVLSI (very large scale integration, " intégration àtrès grande échelle "). C'est avec le silicium qu'ont étéexpérimentées, développées et améliorées presque toutes lestechniques qui ont permis de réaliser des ordinateurs de plus enplus rapides et de plus en plus puissants.De nouvelles possibilités sont entrevues avec d'autres semi-conducteurs,plus performants que le silicium, mais plus difficiles à mettreen oeuvre, et d'un prix de revient beaucoup plus élevé. Citons,en particulier, les matériaux de type III-V, dont l'arséniurede gallium est un représentant.
Le silicium et le germanium sont des éléments semi-conducteursde la colonne IV de la classification de Mendeleïev, c'est-à-direque les atomes constituant ces matériaux portent quatre électronssur leur couche périphérique (dits électrons de valence). Lescomposés binaires III-V sont formés d'un élément de lacolonne III du tableau de Mendeleïev (c'est le cas de l'aluminium,du gallium et de l'indium) et d'un élément de la colonne V dece tableau (comme le phosphore, l'arsenic, l'antimoine). Danscette dernière catégorie, l'arséniure de gallium (GaAs) est leplus étudié. Après lui, le plus intéressant paraît être lephosphure d'indium (InP). Certains composés ternaires (telAlGaAs) ou quaternaires (GaInAsP) interviennent également dansdes composants à semi-conducteurs. Les semi-conducteurs III-Vsont notamment appliqués en optoélectronique et pour lesdispositifs hyperfréquences (radars, satellites, relaishertziens, ensembles de contre-mesures, etc.). Grâce à lamobilité et à la vitesse des électrons dans l'arséniure degallium, notablement plus élevées que dans le silicium, le GaAsest un matériau adapté aux circuits intégrés ultrarapides,tels ceux que nécessitent les supercalculateurs.
Les circuits intégrés
Le transistor, sous une forme particulière dite planaire, développéeen 1958 par Fairchild, a permis de concrétiser un mode de réalisationcompact de circuits électroniques, où tous les composants -transistors, diodes, résistances et condensateurs - sont crééspar des opérations physico-chimiques sur une pastille unique dequelques millimètres carrés de matériau semi-conducteur, le silicium . Lescircuits ainsi intégrés ont permis une densité d'intégrationdes composants de plus en plus élevée. La tendance actuelle estde considérer chaque circuit intégré comme assumant unefonction, et de l'inclure dans des circuits de plus grande échelleoù il apparaît lui-même comme un composant.
2.2.Formules+
2.2.1.Le transistorbipolaire (Bipolar Junction Transistor)est un dispositif à semi-conducteur présentant trois couches àdopages alternés npn ou pnp (voir fig. 1).
- Figure 1: structures et symboles des transistors bipolaires
La couche médiane est appeléebase. Leur géométrie et leur nombre volumique en impuretésdistinguent les deux couches externes: émetteur et collecteur.Par extension, on appelle également base, émetteur etcollecteur les trois électrodes qui donnent accès aux troiscouches correspondantes.
Les deux jonctions qui apparaissent dans le transistor sont désignéespar le nom des deux régions entre lesquelles elles assurent latransition; on trouve, par conséquent, la jonction base-émetteur(BE) également dénommée jonction de commande et lajonction base-collecteur (BC). Dans les symboles de la figure 1,la flèche désigne la jonction de commande.
2.2.2.Description: transistorau repos
La figure montre les barrièresde potentiel énergétique pour les électrons et pour les trous.Au repos, elles sont telles que ni les électrons de l'émetteur,ni les électrons du collecteur, ni les trous de la base nepeuvent les franchir.
2.2.3. Description: mode F
Le mode F (Forward: progressif)est un mode particulier de fonctionnement du transistor danslequel la tension de la jonction BC est maintenue à zéro. A lafigure 3 on a représenté les barrières de potentiel pour lesélectrons et les trous dans le transistor en mode F.
- Figure 3: fonctionnement du transistor en mode F
Dans le cas d'une polarisationinverse de la jonction BE, ni les électrons de l'émetteur, niles trous de la base ne peuvent franchir la barrière depotentiel existant entre base et émetteur. Aucun courant necircule dans le transistor.
Si la jonction BE est polarisée en sens direct, la barrière depotentiel de la jonction BE est diminuée. Les électrons de l'émetteurdiffusent dans la base; comme celle-ci est courte, ces électronssont rapidement happés par le puits de potentiel que représentele collecteur. Le flux d'électrons allant de l'émetteur aucollecteur en transitant par la base se traduit par un courant IF,qui n'est rien d'autre que le courant de la jonction BE et qui répondà l'expression:
(1)
Les trous injectés de la basedans l'émetteur sont responsables du courant IBFet obéissent également à la loi de la jonction. On peut ainsiécrire:
(2)
Définition
Le rapport bF entre lecourant de collecteur et le courant de base est constant; on l'appellegain de courant en mode F :
(3)
Propriétés
Les deux courants, IFet IBF qui traversent la jonction BE sontindépendants du comportement de la jonction BC.
Dans une modélisation dutransistor, on traduit l'équation (1) en disant que le courantde collecteur du transistor, en mode F, est commandé par latension base-émetteur. On peut également affirmer que lecourant de collecteur du transistor, en mode F, est commandé parle courant de base selon la relation:
(4)
Ces deux propriétésapparaissent dans les caractéristiques de transfert en mode F dela figure 4.
Figure 4: caractéristiques de transfert en mode F
La caractéristique d'entréedu transistor en mode F est donnée par la relation (2) et représentéeà la figure 5.
- Figure 5: entrée en mode F
Commentaires
Lors de lafabrication des transistors on met tout en oeuvre pour que lecourant de base en mode F soit le plus faible possible. Enparticulier, l'émetteur est dopé beaucoup plus fortement que labase pour que les électrons injectés dans la base soient plusnombreux que les trous injectés dans l'émetteur. D'autre part,on réalise des bases aussi étroites que possible de telle sorteque, pendant leur transit, les électrons n'aient que peu dechances de s'y recombiner. Le gain de courant en mode F atteintdes valeurs se situant entre 100 et 1000 pour des transistors depetite puissance (< 1W).
2.2.4. Description: mode defonctionnement R
Tout comme le mode F, le mode R(Reverse: inverse) désigne un fonctionnement particulier dutransistor. En mode R, c'est la tension de la jonction BE que l'onmaintient nulle. Les barrières de potentiel pour les électronset pour les trous prennent alors les allures décrites à lafigure 6.
Les phénomènes sontidentiques à ceux qui se produisent en mode F: en polarisationinverse de la jonction BC, aucun courant ne circule alors qu'enpolarisation directe, les électrons du collecteur sont injectésdans la base, la traversent, et les trous de la base sont injectésdans le collecteur.
Si la jonction BC est polariséeen sens direct, sa barrière de potentiel est diminuée. Les électronsdu collecteur diffusent dans la base et sont happés par le puitsde potentiel que représente alors l'émetteur. Le flux d'électronsallant du collecteur à l'émetteur en transitant par la base setraduit par un courant IR, qui n'est rien d'autreque le courant d'électrons de la jonction BC et qui répond à l'expression:
(5)
- Figure 6: fonctionnement du transistor en mode R
Les trous injectés de la basedans le collecteur sont responsables du courant IBRet obéissent également à la loi de la jonction. On peut ainsiécrire:
(6)
Définition
Le rapport bRentre le courant de collecteur et le courant de base est constant;on l'appelle gain de courant en mode R :
(7)
Propriétés
Les deux courants, IRet IBR qui traversent la jonction BC sont indépendantsdu comportement de la jonction BE.
Dans une modélisation dutransistor, on traduit l'équation (5) en disant que le courant d'émetteurdu transistor, en mode R, est commandé par la tension base-collecteur.On peut également affirmer que le courant d'émetteur dutransistor, en mode R, est commandé par le courant de base selonla relation
(8)
Ces deux propriétésapparaissent dans les caractéristiques de transfert en mode R dela figure 7.
Figure 7: caractéristiques de transfert en mode R
Figure 8: entrée en mode R
Commentaire
Il est intéressant deremarquer que les caractéristiques de transfert qui expriment larelation entre le courant commandé et la tension de commande [relations(1) et (5)] ont la même forme. Ceci s'explique par le fait que,pour une tension donnée. l'injection d'électrons dans la basene dépend que de la concentration des impuretés dans la base.
Le gain de courant inverse bR,du fait de la technologie, est plus petit que le gain de courant bF;dans un transistor discret de petite puissance il peut êtrecompris entre 1 et 10 alors qu'il devient beaucoup plus petit quel'unité dans les transistors intégrés.
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