Dans cette théorie, nous allons examiner un composant très utilisé en électronique :le
transistor.
Les principaux procédés de fabrication des transistors seront exposés ainsi que les montages fondamentaux.
1. - LE TRANSISTOR À JONCTIONS
C'est un dispositif formé de trois zones de semi-conducteur disposées les unes à côté des autres de telle sorte que deux
zones consécutives soient de type différent.
Avec ce système, on comprend facilement que l'on ne peut obtenir que deux types du dispositif ci-dessus : soit on insère une
zone de semi-conducteur P entre deux zones de semi-conducteur N comme illustré figure 1-a, soit au contraire on intercale une zone N entre deux zones P (figure 1-b).
Les dispositifs en question sont ensuite complétés par trois plaquettes métalliques placées respectivement sur les extrémités
des zones latérales et sur le côté de la zone centrale. Elles sont désignées par les lettres E, B, C.
Pour distinguer les deux types, le dispositif de la figure 1-a est appelé transistor NPN et
celui de la figure 1-b transistor PNP.
Par contre dans les deux cas, la zone centrale est appelée base (d'où le symbole B
donné à la plaquette et à la liaison correspondante) tandis que les zones latérales sont appelées respectivement émetteur et collecteur (d'où les symboles E et C
donnés aux plaquettes et liaisons correspondantes).
Les caractéristiques des deux types de transistors sont semblables, c'est-à-dire qu'ils fonctionnent de la même façon.
Toutefois, ils nécessitent des tensions de polarité contraire : le transistor NPN fonctionne avec des tensions positives tandis que le transistor PNP
fonctionne avec des tensions négatives.
(Nous reportons le même schéma ci-dessus afin de mieux faciliter la lecture à savoir figure 1).
En observant la figure 1, on remarque que les trois zones forment deux jonctions distinctes ; dans le transistor NPN,
l'émetteur et la base forment une jonction NP tandis que la base et le collecteur forment une jonction PN.
Dans le cas du transistor PNP par contre, l'émetteur et la base forment une jonction PN
tandis que la base et le collecteur constituent une jonction NP.
Lorsque l'on applique aucune tension sur les électrodes du transistor, c'est-à-dire lorsque ses deux jonctions ne sont pas polarisées,
il s'y manifeste les mêmes phénomènes que l'on avait dans la jonction PN. (Voir semi-conducteurs 3).
Chaque jonction est le siège d'une barrière de potentiel où la zone N est rendue plus positive que la zone P. La barrière de
potentiel a une valeur telle qu'elle permet le passage d'un flux de porteurs majoritaires égal au flux des porteurs minoritaires. Ainsi le flux total des
porteurs traversant chaque jonction est nul.
Pour le fonctionnement normal d'un transistor, qu'il soit du type PNP ou NPN,
la jonction émetteur-base doit être polarisée en direct tandis que la jonction collecteur-base doit être polarisée en inverse. La polarisation des
jonctions peut s'obtenir au moyen d'une pile raccordée de manière adéquate.
Pour polariser directement la jonction émetteur-base, la pile est raccordée comme le montre la figure 2-a dans le cas d'un transistor
PNP, ou bien de la manière indiquée figure 2-b dans le cas d'un transistor NPN.
Dans les circuits ainsi constitués, de façon analogue à ce qui se passe dans une diode, il circule un courant direct appelé
courant d'émetteur et désigné par
IE.
Pour polariser en inverse la jonction collecteur-base, la pile est raccordée comme le montre la figure 3-a dans le
cas d'un transistor PNP, ou bien de la manière indiquée figure 3-b dans le cas d'un transistor NPN.
Dans ces nouveaux circuits, on observe aussi ce qui se produit dans une diode, c'est-à-dire que l'on constate la circulation
d'un courant inverse appelé courant résiduel
et désigné par ICBO.
Ce symbole (ICB0) indique qu'il s'agit du courant traversant la jonction collecteur-base lorsque
la jonction émetteur-base n'est pas polarisée (IE= 0).
Le courant résiduel ICB0, étant dû aux porteurs minoritaires, a une intensité très faible. Celle-ci,
qui ne dépend pratiquement pas de la tension appliquée à la jonction collecteur-base, est par contre largement tributaire de la température à
laquelle se trouve le transistor et de ses caractéristiques.
De ce que nous venons de dire, il résulte que chaque jonction d'un transistor se comporte comme une diode. Cela n'est vrai que
si les deux jonctions sont polarisées séparément. Si par contre, elles sont polarisées simultanément comme indiqué figure 4, le comportement du
transistor est différent.
Dans ce cas, en effet, les courants IE et ICB0 ne continuent plus à
circuler indépendamment l'un de l'autre comme indiqué figures 2 et 3.
Lorsque les deux jonctions sont polarisées comme illustré figure 4, le courant ICB0 qui en résulte
augmente pour atteindre une valeur quasiment égale à celle du courant
IE: ce nouveau courant est appelé courant de collecteur et est désigné par IC. On voit donc que dans un transistor,
le courant d'émetteur peut influencer le courant de collecteur.
Ainsi, lorsque le courant d'émetteur est nul comme dans le cas de la figure 3, le courant de collecteur a une intensité très
faible (c'est le courant résiduel ICB0). Lorsque, par contre, le courant d'émetteur n'est plus nul comme dans le cas de
la figure 4, le courant de collecteur augmente d'une valeur quasiment égale à celle du courant d'émetteur. Pour l'expliquer, il faut considérer l'intérieur
du transistor.
Examinons tout d'abord le transistor PNP de la figure 4-a en nous intéressant à la jonction émetteur-base.
Puisque cette jonction est polarisée en direct, les deux flux des porteurs majoritaires qui la traversent sont beaucoup plus
intense que les deux flux des porteurs minoritaires. Ceux-ci seront donc négligés. Il y aura donc un flux de trous circulant de l'émetteur vers la base et un flux
d'électrons circulant de la base vers l'émetteur. Les électrons parvenus sur l'émetteur se recombinant à leur tour avec les trous présents tandis
qu'autant d'électrons sont fournis à la base par la pile reliée entre cette base et l'émetteur.
Simultanément, la même pile attire un nombre égal d'électrons de l'émetteur dans lequel il se forme de nouveaux trous remplaçant
ceux qui ont disparu à cause des recombinaisons avec les électrons provenant de la base. Par contre, le flux de trous circulant de l'émetteur vers la base
se comporte d'une manière tout à fait différente. En effet, il faut savoir que les trous parvenus dans la base deviennent des porteurs minoritaires puisque
cette base est de type N.
D'autre part, la jonction collecteur-base étant polarisée en inverse, cette polarisation arrête le flux des porteurs
majoritaires tandis qu'elle favorise le passage à travers la jonction du flux des porteurs minoritaires. Par conséquent, les trous provenant de l'émetteur
et qui sont parvenus sur la base se trouvent forcés de traverser également la jonction collecteur-base. Ces trous, porteurs minoritaires, rejoignent ainsi le
collecteur.
Il s'ajoute donc, au faible courant résiduel des porteurs minoritaires traversant la jonction collecteur-base polarisée en
inverse, le courant bien plus intense dû aux trous provenant de l'émetteur.
Précédemment, nous avons dit que le courant de collecteur augmente d'une valeur presque égale à celle du courant d'émetteur.
En effet, tous les trous provenant de l'émetteur n'atteignent pas le collecteur car une petite partie d'entre eux se recombinants avec les électrons présents
dans la base. Cela contribue ainsi à former le courant de base désigné par IB comme représenté figure 4-a.
(Nous reportons le même schéma ci-dessus afin de mieux faciliter la lecture, à savoir figure 4).
Pour rendre le courant de collecteur le plus égal possible au courant d'émetteur, il faut chercher à réduire au minimum le
nombre de trous se recombinant avec les électrons présents dans la base.
Dans ce but, les transistors sont réalisés avec une base très mince de manière à réduire le parcours que les trous y
accomplissent pour atteindre le collecteur.
La possibilité que ces trous ont de rencontrer les électrons présents dans la base et de se recombiner avec eux devient donc plus faible.
Pour cette raison, dans les figures considérées jusqu'à présent, la zone constituant la base est représentée plus étroite
que les deux autres formant l'émetteur et le collecteur. Un autre moyen pour réduire cette possibilité de rencontre consiste à réaliser cette base avec un
semi-conducteur peu dopé. Ainsi, le nombre d'électrons libres présents dans la base se trouve réduit.
L'émetteur est appelé ainsi parce qu'il émet les trous qui, après avoir traversé la base, arrivent au collecteur. Sa dénomination
provient du fait qu'il "collecte" la majeure partie des trous "émis" par l'émetteur.
Ce qui a été dit est valable pour le transistor PNP. On peut dire la même chose pour le
transistor NPN de la figure 4-b en tenant compte que dans celui-ci l'émetteur est constitué d'un semi-conducteur de type N. Il "émet" donc des électrons qui sont, pour une grande partie, "recueillis"
par le collecteur après avoir traversé la base.
Puisque les électrons ont une charge de signe contraire à celle des trous, les deux piles avec lesquelles on polarise le
transistor NPN sont raccordées avec les polarités inverses de celles adoptées pour le transistor PNP.
En conséquence, les courants d'émetteur, de base et de collecteur sont orientés en sens contraire comme indiqué figure 4-b.
Maintenant, nous allons préciser la composition des courants de collecteur et de base en nous référant à un transistor PNP.
Comme nous l'avons dit, le courant de collecteur IC est formé du courant résiduel ICB0 et en
grande partie du courant d'émetteur IE.
Le courant IC, étant un peu inférieur au courant IE, est
exprimé au moyen du produit du courant IE par un facteur légèrement inférieur à 1
appelé coefficient d'amplification en courant et qui est désigné par la
lettre grecque (alpha). La valeur du
coefficient dépend des caractéristiques de fabrication du transistor ; elle est généralement comprise entre 0,920 et 0,998. Donc, la partie du
courant d'émetteur qui parvient au collecteur d'un transistor peut être calculée
par le produit
x IE.
Exemple : si le coefficient a une valeur de 0,98 et que le courant d'émetteur IE est de 5
mA, le produit ci-dessus devient x IE = 0,98 x 5 mA = 4,9 mA
; cela signifie qu'un courant de 4,9 mA parvient au collecteur.
En ajoutant à ce courant le courant résiduel ICB0, on obtient le courant de collecteur IC;
l'expression de ce dernier est donc IC =
x IE + ICB0.
Comme on peut le voir figure 5-a, le courant IC en sortie du collecteur traverse la pile B2
et atteint le point A où il se partage en deux. Une partie, constituant le courant ICB0, retourne à la base tandis que l'autre partie (x IE) se dirige vers la pile B1.
Au point A, le courant IE s'ajoute au courant indiqué figure 5-a par IE - x IE. Comme on le voit sur cette figure, ce courant provient de la base et il est dû à une partie du courant IE
qui n'atteint pas le collecteur à cause de la recombinaisons des trous et des électrons dans la base. Ce courant, désigné par IE
-
x IE, est précisément égal à la différence entre le courant d'émetteur
IE et une partie de ce courant (c'est-à-dire
x IE) qui atteint le collecteur.
Sur la figure 5-a, on peut donc voir que le courant de base, c'est-à-dire le courant qui circule dans la liaison reliant le
point A à la base du transistor, est formé de deux courants : le courant ICB0 qui entre dans la base et le courant qui en sort :IE
-
IE. Puisque généralement ce dernier a une valeur plus grande que le courant ICB0, le courant de base IB
est dirigé dans le sens indiqué figure 4-a, c'est-à-dire sortant de la base, donc de même sens que le courant IE -
IE.
Ce qui a été vu ci-dessus pour le transistor PNP est également valable pour le transistor NPN
à condition d'inverser le sens de tous les courants. Comme on le voit figure 5-b, cela est dû à l'inversion de polarité des deux piles.
De ce qui a été dit jusqu'ici, il n'est pas encore possible de déduire quelle peut être l'utilité pratique du transistor ;
pour l'instant, nous avons constaté que le courant IC peut être commandé au moyen du courant d'émetteur IE.
Cependant, nous avons vu que ce dernier est plus grand que le premier et donc, de ce point de vue, nous ne trouvons aucun avantage.
Mais il ne faut pas raisonner seulement en courant ; il faut aussi tenir compte des tensions mises en jeu. En effet,
il faut se rappeler que la jonction émetteur-base est polarisée en direct tandis que la jonction collecteur-base est polarisée en inverse.
Il s'ensuit que, pour faire traverser la jonction
émetteur-base par le courant d'émetteur IE, il suffit d'appliquer une tension réduite : en conséquence, la
puissance mise en jeu dans le circuit d'émetteur est plutôt faible. Par contre, puisque la jonction collecteur-base doit être polarisée en inverse, on
peut lui appliquer une tension plus grande que celle appliquée à l'autre jonction.
Le courant de collecteur IC étant de très peu inférieur à celui de l'émetteur
IE, la puissance mise en jeu dans le circuit de collecteur est donc supérieure à celle au circuit d'émetteur.
On peut donc dire qu'un transistor se comporte comme un amplificateur car en fournissant à son circuit d'entrée une faible
puissance, il est en mesure de fournir dans son circuit de sortie une puissance qui peut être cent fois supérieure. Cela est dû au fait que le transistor a
la propriété de faire circuler dans le circuit de sortie à grande tension le même courant (ou quasiment) que celui qui circule dans le circuit d'entrée à
basse tension. En effet, si la tension collecteur-base était inférieure ou égale à la tension émetteur-base, la puissance du circuit de sortie serait inférieure
à celle fournie au circuit d'entrée et on ne pourrait donc avoir d'amplification de puissance.
La condition nécessaire pour qu'un transistor amplifie est donc que le circuit de collecteur fonctionne à une tension
beaucoup plus élevée que celle à laquelle fonctionne le circuit émetteur. Donc, si l'on applique à l'entrée d'un transistor un signal de faible
puissance, on peut prélever sur son circuit de sortie le même signal, celui-ci ayant toutefois une puissance bien plus grande.
On peut prendre comme analogie mécanique le frein assisté à air comprimé d'un autocar ; le conducteur ne serait pas en
mesure d'exercer une force suffisante pour bloquer les roues, aussi se limite-t-il à commander à l'aide de son pied une valve pneumatique réglant
l'afflux d'air comprimé. Celui-ci est capable par contre, d'exercer sur les freins la force nécessaire à l'arrêt du véhicule.
Le transistor se comporte comme une valve. En effet, à l'aide d'une petite puissance (fournie au circuit d'émetteur), on
peut contrôler une puissance dans le circuit de collecteur beaucoup plus grande.
On peut aussi noter que le circuit d'émetteur présente une faible résistance (il se comporte en effet comme une diode polarisée en
direct) tandis que le circuit de collecteur présente une résistance beaucoup plus grande.
De ce point de vue, le transistor est un dispositif capable de transférer un certain courant du circuit d'entrée à
basse résistance au circuit de sortie à grande résistance. Cette propriété a été indiquée par les Américains sous forme condensée par les mots transfert
et resistor qui ont ensuite donné naissance au terme transistor.
Sur les figures examinées jusqu'à présent, l'émetteur et le collecteur ont toujours été représentés comme des zones égales disposées
de part et d'autre de la zone de la base. De plus, on a toujours considéré comme émetteur la zone de gauche et comme collecteur la zone de droite. Puisque
ces deux zones sont égales et disposées symétriquement par rapport à la base, on pourrait penser que l'on peut utiliser comme émetteur la zone de
droite et comme collecteur celle de gauche. En d'autres termes, on pourrait croire que l'émetteur et le collecteur d'un transistor sont interchangeables,
c'est-à-dire que l'émetteur peut assurer la fonction du collecteur et vice versa.
En fait, l'émetteur et le collecteur sont réalisés
de manière différente bien qu'ils soient des semi-conducteurs de même type.
Ainsi, pour que le coefficient d'amplification soit le plus proche possible de 1, on effectue des dopages notablement différents pour le semi-conducteur qui devra fonctionner en émetteur
et pour celui qui devra assurer la fonction de collecteur.
L'émetteur sera le semi-conducteur le plus fortement dopé ; en outre, pour faciliter la dissipation de chaleur se développant
à l'intérieur du transistor, la jonction collecteur-base est réalisée avec une section plus grande que celle de la jonction émetteur-base.
Nous allons passer en revue quelques procédés utilisés pour la fabrication des transistors.
Les premiers transistors ont été construits selon le même principe que celui utilisé pour les diodes à pointe ;
par la suite, à partir de 1950, on eut recours à d'autres méthodes qui peuvent se réduire à trois : le procédé par alliage, le procédé par
diffusion et le procédé planar.
La technique de la jonction par alliage consiste essentiellement à mettre une pastille de semi-conducteur en contact avec une
certaine quantité de matériau d'impureté et à chauffer ce matériau à une température supérieure à son point de fusion. Il se forme ainsi un alliage
constitué par le matériau d'impureté et la partie superficielle du semi-conducteur.
Après refroidissement de l'alliage et de la pastille, une certaine quantité d'atomes d'impuretés forme dans le réseau
cristallin du semi-conducteur une zone de type N ou de type P nettement distincte du reste de la pastille. Si la pastille est de type N,
on utilise des matériaux d'impureté permettant, après refroidissement, d'obtenir une zone P. Inversement, si la
pastille est de type P, on utilise des matériaux d'impureté aptes à déterminer la formation d'une zone N.
La jonction entre la zone qui s'est formée et le reste de la pastille constitue une jonction PN.
Pour obtenir un transistor, il convient de former dans une même pastille deux jonctions PN
; donc, le même traitement est effectué simultanément sur les deux faces opposées de la même pastille de façon à créer les deux jonctions requises.
La figure 6 représente les coupes de deux transistors à alliage ; il s'agit de transistors PNP
au germanium utilisés autrefois dans les récepteurs radio à modulation d'amplitude et dans les amplificateurs basses fréquences.
Le transistor de la figure 6-a, a été fabriqué pour fonctionner comme amplificateur de tension dans les étages préamplificateurs
de basses fréquences, dans les étages oscillateurs et convertisseurs pour ondes moyennes, ou dans les amplificateurs de fréquence intermédiaire ; la
même structure a été adoptée pour la fabrication de certains types de transistors utilisés dans les étages finaux d'amplificateurs de puissance inférieure
à 1 Watt.
Le transistor de la figure 6-b a été, par contre, réalisé pour fonctionner comme amplificateur final de basses fréquences
pour des puissances égales ou supérieures à 1 Watt.
Les deux structures ont été obtenues avec le même
procédé par alliage dans des pastilles de monocristaux de germanium N.
Ces pastilles constituent l'électrode de base ; les zones P, disposées de part et
d'autre sur les faces opposées de la pastille, forment les électrodes d'émetteur et de collecteur.
Chaque pastille est soudée à une bande métallique percée ; l'électrode d'émetteur se trouve au centre du trou pour que
l'émetteur ne soit pas en contact avec la bande.
Dans la structure de la figure 6-b, les électrodes ont des dimensions supérieures à celles de la figure 6-a ; cela a été
fait pour qu'elles puissent être parcourues par des courants plus intenses sans qu'il y ait un échauffement excessif. Entre outre, toujours dans la structure
de la figure 6-b, l'électrode de collecteur apparaît montée sur un support métallique assez large ; cette disposition a été adoptée pour augmenter la
puissance dissipée par le transistor durant son fonctionnement.
A la figure 7, on peut voir comment sont disposés les transistors (ceux du type de la figure 6-a) dans leur enveloppe de verre.
La surface externe de l'enveloppe et la partie
inférieure de l'embase sont en général recouvertes de peinture noire qui a pour but d'empêcher que la lumière puisse avoir une influence sur le
fonctionnement du transistor.
L'intérieur du boîtier est rempli de graisse au silicone qui sert à empêcher toute altération superficielle du
semi-conducteur et à amortir d'éventuelles vibrations mécaniques.
S'il s'agit d'un transistor de puissance, on recouvre l'enveloppe d'un cylindre métallique qui, non seulement protège le
transistor de la lumière, mais sert également à améliorer la dissipation thermique.
La figure 8 montre un transistor de puissance du type présenté figure 6-b.
L'ensemble de l'embase et du capot forment un boîtier métallique qui présente une bonne capacité de dissipation de la chaleur
engendrée par le transistor. Pour améliorer la dissipation thermique, on soude directement l'électrode de collecteur, qui est la plus sujette à l'échauffement,
à l'embase.
De cette façon, elle peut servir de radiateur et remplace la borne du collecteur (C) qui est donc apparemment absente. Le
transistor ainsi conditionné possède une structure robuste, compacte et donc particulièrement résistante aux différentes contraintes thermiques et mécaniques.
Avec la technique des jonctions par alliage, il a été possible de fabriquer des transistors PNP
fonctionnant jusqu'à 15 MHz et des transistors NPN fonctionnant jusqu'à 30 MHz.
En général, la réponse d'un transistor aux hautes fréquences dépend du temps de transit des charges électriques
constituant le courant dans la base, c'est-à-dire le temps que mettent les électrons pour traverser la zone P du transistor NPN
ou les trous pour traverser la zone N du transistor PNP. En réduisant ce temps de transit, on améliore la réponse en fréquence du transistor.
La réduction du temps de transit dans la base peut être obtenue de deux manières : on diminue l'épaisseur de la base
et par conséquent le parcours des charges, ou bien on augmente la vitesse même de ces charges.
L'épaisseur de base minimale que l'on obtient par la méthode des jonctions par alliage est de l'ordre du micron (10-6
mètre) ; mais même avec ces dimensions extrêmement réduites, il n'est pas possible d'atteindre des temps de transit suffisamment brefs pour avoir des
transistors à alliage fonctionnant à des fréquences supérieures à 30 MHz.
Pour améliorer encore la réponse en fréquence du transistor à alliage, on a recours à des astuces technologiques qui
permettent d'accélérer les charges dans l'électrode de base.
L'accélération des charges est obtenue en graduant progressivement la concentration des atomes d'impuretés le long de l'épaisseur
de la pastille destinée à la fabrication du transistor à alliage. Ainsi, dans la base qui conserve la structure d'origine de la pastille, il y a un dégradé
de la concentration des atomes d'impuretés allant de l'émetteur au collecteur : ce dégradé est appelé "gradient d'impuretés".
Sur la figure 9, on peut observer schématiquement le dégradé d'impuretés dans la base d'un transistor ; en effet, les
atomes d'impuretés sont plus nombreux du côté de l'émetteur et leur nombre diminue en se rapprochant du collecteur.
Rappelons que la base d'un transistor NPN, tel que celui représenté figure 4-b ci-dessus, est constituée par un
semi-conducteur de type P, c'est-à-dire par un semi-conducteur dans lequel les atomes d'impuretés ont acquis un électron. Ces atomes sont donc des
charges fixes négatives.
La plus grande densité des atomes d'impuretés du côté de l'émetteur par rapport au côté du collecteur provoque une
concentration plus grande de charges négatives du côté de l'émetteur que celui du collecteur. Ainsi, une certaine différence de potentiel VG existe
entre les extrémités de la base.
Cette différence de potentiel, due au dégradé d'impuretés, est orientée de telle sorte qu'elle exerce une force sur les
charges mobiles, c'est-à-dire les électrons traversant la base. On obtient ainsi une accélération plus grande de ces charges et par conséquent, une réduction
de leur temps de transit.
Ce phénomène est appelé couramment "effet drift" (drift est un terme anglais signifiant poussée, dérive).
Différents types de transistors à alliage pour hautes fréquences ont été fabriqués sur la base de l'effet drift. Ils ont été
utilisés dans les étages hautes fréquences et fréquences intermédiaires des récepteurs radio AM - FM et des téléviseurs
et bien d'autres...
Transistors à jonctions par alliage
(alpha). La valeur du
coefficient 
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