Transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) , montrant les bornes de grille (G), de substrat (B), de source (S) et de drain (D). La grille est séparée du sub...
Un transistor est un composant semi-conducteur utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électriques et de la puissance . C'est l'un des éléments de base de l'électronique moderne . Il est composé d' un matériau semi-conducteur et possède généralement au moins trois bornes pour sa connexion à un circuit électronique . Une tension ou un courant appliqué à une paire de bornes du transistor contrôle le courant traversant une autre paire de bornes. La puissance contrôlée (sortie) pouvant être supérieure à la puissance de commande (entrée), un transistor peut amplifier un signal. Certains transistors sont conditionnés individuellement, mais la plupart, sous forme miniature, sont intégrés dans des circuits intégrés . Les transistors étant des composants actifs essentiels dans la quasi-totalité des appareils électroniques modernes, ils sont considérés comme l'une des plus grandes inventions du XXe siècle.
La plupart des transistors sont fabriqués en silicium très pur , certains en germanium , mais d'autres matériaux semi-conducteurs sont parfois utilisés. Un transistor peut ne contenir qu'un seul type de porteur de charge ( transistor à effet de champ) ou deux ( transistor bipolaire) . Comparés aux tubes à vide , les transistors sont généralement plus petits et consomment moins d'énergie. Certains tubes à vide présentent des avantages par rapport aux transistors à très haute fréquence ou à haute tension de fonctionnement, comme les tubes à ondes progressives et les gyrotrons . De nombreux types de transistors sont fabriqués selon des spécifications normalisées par plusieurs constructeurs.
La triode thermoïonique , un tube à vide inventé en 1907, a permis le développement de la radio amplifiée et de la téléphonie longue distance . Cependant, la triode était un composant fragile et énergivore. En 1909, le physicien William Eccles découvrit l' oscillateur à diode à cristal . Le physicien Julius Edgar Lilienfeld déposa un brevet pour un transistor à effet de champ (FET) au Canada en 1925, conçu comme une alternative à semi-conducteurs à la triode. Il déposa des brevets identiques aux États-Unis en 1926 et 1928. Toutefois, il ne publia aucun article de recherche sur ses dispositifs et ses brevets ne mentionnèrent aucun prototype fonctionnel. Comme la production de matériaux semi-conducteurs de haute qualité n'était pas encore possible, les idées de Lilienfeld concernant les amplificateurs à semi-conducteurs n'auraient pas trouvé d'application pratique dans les années 1920 et 1930, même si un tel dispositif avait été construit. En 1934, l'inventeur Oskar Heil a breveté un dispositif similaire en Europe.
Un transistor à barrière de surface Philco développé et produit en 1953
Du 17 novembre au 23 décembre 1947, John Bardeen et Walter Brattain, des laboratoires Bell d' AT&T à Murray Hill, dans le New Jersey , menèrent des expériences et observèrent que l'application de deux contacts ponctuels en or sur un cristal de germanium produisait un signal dont la puissance de sortie était supérieure à la puissance d'entrée. William Shockley, responsable du groupe de physique du solide , perçut le potentiel de cette découverte et, au cours des mois suivants, s'attela à approfondir considérablement les connaissances sur les semi-conducteurs . Le terme « transistor » fut inventé par John R. Pierce , contraction de « transrésistance » . Selon Lillian Hoddeson et Vicki Daitch, Shockley proposa que le premier brevet des laboratoires Bell pour un transistor soit basé sur l'effet de champ et qu'il soit désigné comme inventeur. Après avoir exhumé les brevets de Lilienfeld, tombés dans l'oubli des années auparavant, les juristes des Bell Labs déconseillèrent à Shockley de soutenir sa proposition, car l'idée d'un transistor à effet de champ utilisant un champ électrique comme grille n'était pas nouvelle. En réalité, Bardeen, Brattain et Shockley inventèrent en 1947 le premier transistor à contact ponctuel . En reconnaissance de cette avancée, Shockley, Bardeen et Brattain reçurent conjointement le prix Nobel de physique de 1956 « pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et leur découverte de l'effet transistor ».
L'équipe de Shockley a d'abord tenté de construire un transistor à effet de champ (FET) en modulant la conductivité d'un semi-conducteur, mais sans succès, principalement en raison de problèmes liés aux états de surface , aux liaisons pendantes et aux matériaux composés de germanium et de cuivre . Cherchant à comprendre les raisons de cet échec, ils ont finalement inventé les transistors bipolaires à contact ponctuel et à jonction .
En 1948, le transistor à contact ponctuel fut inventé indépendamment par les physiciens Herbert Mataré et Heinrich Welker, alors employés à la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse , filiale parisienne de Westinghouse . Mataré avait déjà travaillé au développement de détecteurs à cristal de silicium et de germanium pour le programme radar allemand durant la Seconde Guerre mondiale . Fort de ces connaissances, il commença à étudier le phénomène d' interférence en 1947. En juin 1948, observant des courants circulant à travers des contacts ponctuels, il obtint des résultats cohérents avec des échantillons de germanium produits par Welker, similaires à ceux obtenus par Bardeen et Brattain en décembre 1947. Consciente que les scientifiques des Bell Labs avaient déjà inventé le transistor, la société s'empressa de lancer la production de son transistor pour une utilisation amplifiée dans le réseau téléphonique français, déposant sa première demande de brevet le 13 août 1948.
Les premiers transistors à jonction bipolaire ont été inventés par William Shockley des laboratoires Bell, qui a déposé une demande de brevet (2 569 347) le 26 juin 1948. Le 12 avril 1950, les chimistes Gordon Teal et Morgan Sparks, également des laboratoires Bell , ont réussi à produire un transistor au germanium amplificateur à jonction NPN bipolaire fonctionnel. Bell a annoncé la découverte de ce nouveau transistor sandwich dans un communiqué de presse le 4 juillet 1951.
Le premier transistor haute fréquence fut le transistor au germanium à barrière de surface développé par Philco en 1953, capable de fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 60 MHz . Il était fabriqué en gravant des creux dans une base de germanium de type n, des deux côtés, à l'aide de jets de sulfate d'indium(III), jusqu'à obtenir une épaisseur de quelques dix-millièmes de pouce. L'indium déposé par électrolyse dans ces creux formait le collecteur et l'émetteur.
AT&T a utilisé pour la première fois des transistors dans des équipements de télécommunications, notamment dans le système de commutation à barres transversales n° 4A en 1953, pour sélectionner les circuits de jonction à partir d'informations de routage encodées sur des cartes de traduction. Son prédécesseur, le phototransistor n° 3A de Western Electric , lisait l'encodage mécanique à partir de cartes métalliques perforées.
Le premier prototype de radio à transistors de poche a été présenté par INTERMETALL, société fondée par Herbert Mataré en 1952, lors de l' Internationale Funkausstellung Düsseldorf, du 29 août au 6 septembre 1953. Le premier modèle de radio à transistors de poche commercialisé fut le Regency TR-1 , sorti en octobre 1954. Fruit d'une collaboration entre la division Regency d'Industrial Development Engineering Associates (IDEA) et Texas Instruments (Dallas, Texas), le TR-1 était fabriqué à Indianapolis (Indiana). Il s'agissait d'une radio quasiment de poche, équipée de quatre transistors et d'une diode au germanium. La conception industrielle fut confiée à la firme Painter, Teague and Petertil de Chicago. Initialement disponible en six coloris (noir, ivoire, rouge mandarine, gris nuage, acajou et vert olive), il fut rapidement proposé dans d'autres couleurs.
La première autoradio entièrement transistorisée de série a été développée par les sociétés Chrysler et Philco et annoncée dans l'édition du 28 avril 1955 du Wall Street Journal . Chrysler a proposé le modèle Mopar 914HR en option à partir de l'automne 1955 pour sa nouvelle gamme de voitures Chrysler et Imperial 1956, qui sont arrivées chez les concessionnaires le 21 octobre 1955.
La Sony TR-63, sortie en 1957, fut la première radio à transistors produite en masse, ce qui entraîna la généralisation de cette technologie. Sept millions de TR-63 furent vendues dans le monde entier au milieu des années 1960. Le succès de Sony avec les radios à transistors permit à ces derniers de remplacer les tubes électroniques comme technologie électronique dominante à la fin des années 1950.
Le premier transistor au silicium fonctionnel a été mis au point aux laboratoires Bell le 26 janvier 1954 par Morris Tanenbaum . Le premier transistor au silicium commercialisé a été annoncé par Texas Instruments en mai 1954. Ce travail était l'œuvre de Gordon Teal , expert en croissance de cristaux de haute pureté, qui avait auparavant travaillé aux laboratoires Bell.
Transistors à effet de champ
Le principe de base du transistor à effet de champ (FET) a été proposé pour la première fois par le physicien Julius Edgar Lilienfeld lorsqu'il a déposé un brevet pour un dispositif similaire au MESFET en 1926, et pour un transistor à effet de champ à grille isolée en 1928. Le concept du FET a ensuite également été théorisé par l'ingénieur Oskar Heil dans les années 1930 et par William Shockley dans les années 1940.
En 1945, le JFET a été breveté par Heinrich Welker . Suite au traitement théorique du JFET par Shockley en 1952, un JFET pratique fonctionnel a été réalisé en 1953 par George C. Dacey et Ian M. Ross .
En 1948, Bardeen et Brattain ont breveté aux Bell Labs l'ancêtre du MOSFET, un transistor à effet de champ à grille isolée (IGFET) doté d'une couche d'inversion. Le brevet de Bardeen, ainsi que le concept de couche d'inversion, constituent aujourd'hui la base des technologies CMOS et DRAM.
Schéma de l'un des dispositifs à transistor SiO 2 fabriqués par Frosch et Derrick
En 1955, Carl Frosch et Lincoln Derick ont accidentellement formé une couche de dioxyde de silicium sur une plaquette de silicium, observant ainsi des effets de passivation de surface. Dès 1957, Frosch et Derick, grâce au masquage et à la prédéposition, sont parvenus à fabriquer des transistors à effet de champ à base de dioxyde de silicium ; les premiers transistors planaires, dans lesquels la source et le drain étaient adjacents sur la même surface. Ils ont démontré que le dioxyde de silicium isolait et protégeait les plaquettes de silicium et empêchait la diffusion des dopants dans la plaquette. Par la suite, J. R. Ligenza et W. G. Spitzer ont étudié le mécanisme de formation des oxydes par oxydation thermique, fabriqué une structure Si/SiO₂ de haute qualité et publié leurs résultats en 1960.
Suite à ces recherches, Mohamed Atalla et Dawon Kahng ont proposé un transistor MOS en silicium en 1959 et ont démontré avec succès le fonctionnement d'un dispositif MOS avec leur équipe des Bell Labs en 1960 . Leur équipe comprenait E. E. LaBate et E. I. Povilonis, qui ont fabriqué le dispositif ; M. O. Thurston, L. A. D'Asaro et J. R. Ligenza, qui ont développé les procédés de diffusion ; et H. K. Gummel et R. Lindner, qui ont caractérisé le dispositif [ Grâce à sa grande évolutivité , sa consommation d'énergie bien inférieure et sa densité supérieure à celle des transistors bipolaires , le MOSFET a permis la réalisation de circuits intégrés haute densité , autorisant l'intégration de plus de 10 000 transistors dans un seul circuit intégré
Le premier MOSFET à double grille a été présenté en 1984 par les chercheurs Toshihiro Sekigawa et Yutaka Hayashi du Laboratoire d'électrotechnique . Le FinFET (transistor à effet de champ à ailettes), un type de MOSFET multigrille non planaire 3D , est issu des recherches de Digh Hisamoto et de son équipe au Laboratoire central de recherche d'Hitachi en 1989.
Importance
Parce que les transistors sont les principaux composants actifs de pratiquement toute l'électronique moderne , beaucoup les considèrent comme l'une des plus grandes inventions du XXe siècle.
L'invention du premier transistor en 1947 aux Bell Labs a été nommée jalon de l'IEEE en 2009. D'autres jalons incluent les inventions du transistor à jonction en 1948 et du MOSFET en 1959.
Le MOSFET est de loin le transistor le plus utilisé, dans des applications allant de l'informatique et de l'électronique aux technologies de communication telles que les smartphones . Il a été considéré comme le transistor le plus important , voire l'invention la plus importante de l'électronique , et le dispositif qui a permis l'avènement de l'électronique moderne . Il constitue la base de l'électronique numérique moderne depuis la fin du XXe siècle, ouvrant la voie à l' ère numérique . L' Office américain des brevets et des marques de commerce le qualifie d'« invention révolutionnaire qui a transformé la vie et la culture dans le monde entier » . Sa capacité à être produit en masse par un processus hautement automatisé ( fabrication de dispositifs semi-conducteurs ), à partir de matériaux relativement simples, permet des coûts par transistor étonnamment bas. Les MOSFET sont les objets artificiels les plus produits de l'histoire, avec plus de 13 sextillions d'unités fabriquées en 2018
Le faible coût, la flexibilité et la fiabilité du transistor l'ont rendu omniprésent. Les circuits mécatroniques transistorisés ont remplacé les dispositifs électromécaniques dans la commande d'appareils et de machines. Il est souvent plus simple et moins coûteux d'utiliser un microcontrôleur standard et de programmer un ordinateur pour réaliser une fonction de commande que de concevoir un système mécanique équivalent.
Fonctionnement simplifié
Un schéma de circuit simple montrant les étiquettes d'un transistor bipolaire n–p–n
Un transistor peut utiliser un faible signal appliqué entre deux de ses bornes pour commander un signal beaucoup plus important sur une autre paire de bornes ; cette propriété est appelée gain . Il peut produire un signal de sortie plus fort, une tension ou un courant, proportionnel à un signal d’entrée plus faible, agissant ainsi comme un amplificateur . Il peut également être utilisé comme un interrupteur commandé électriquement , où l’intensité du courant est déterminée par d’autres éléments du circuit.
Il existe deux types de transistors, avec de légères différences dans leur utilisation :
Un transistor bipolaire (BJT) possède des bornes appelées base , collecteur et émetteur . Un faible courant circulant entre la base et l'émetteur, au niveau de la borne de base, permet de contrôler ou de commuter un courant beaucoup plus important entre le collecteur et l'émetteur.
Un transistor à effet de champ (FET) possède des bornes appelées grille , source et drain . Une tension appliquée à la grille peut contrôler un courant entre la source et le drain.
L'image du haut de cette section représente un transistor bipolaire typique dans un circuit. Une charge circule entre l'émetteur et le collecteur en fonction du courant dans la base. Les connexions base-émetteur se comportant comme une diode semi-conductrice, une chute de tension apparaît entre elles. L'amplitude de cette chute de tension, déterminée par le matériau du transistor, est appelée V <sub>BE</sub> . (Tension base-émetteur)
Le transistor comme interrupteur
BJT utilisé comme interrupteur électronique en configuration émetteur mis à la terre
Dans un circuit de commutation, l'objectif est de simuler au mieux le comportement d'un interrupteur idéal présentant les propriétés d'un circuit ouvert à l'état bloqué, d'un court-circuit à l'état passant, et une transition instantanée entre les deux états. Les paramètres sont choisis de manière à ce que les courants de fuite à l'état bloqué soient trop faibles pour affecter les circuits connectés, que la résistance du transistor à l' état passant soit trop faible pour affecter les circuits, et que la transition entre les deux états soit suffisamment rapide pour ne pas avoir d'effet néfaste.
Dans un circuit à transistor à émetteur à la masse, tel que le circuit d'interrupteur illustré, lorsque la tension de base augmente, les courants d'émetteur et de collecteur augmentent exponentiellement. La tension de collecteur diminue en raison de la réduction de la résistance entre le collecteur et l'émetteur. Si la différence de potentiel entre le collecteur et l'émetteur était nulle (ou quasi nulle), le courant de collecteur serait limité uniquement par la résistance de la charge (l'ampoule) et la tension d'alimentation. On parle alors de saturation, car le courant circule librement du collecteur à l'émetteur. À saturation, l'interrupteur est dit fermé .
L'utilisation de transistors bipolaires pour les applications de commutation nécessite une polarisation du transistor afin qu'il fonctionne entre sa région de blocage (état bloqué) et sa région de saturation ( état passant ). Ceci requiert un courant de commande de base suffisant. Le transistor, grâce à son gain en courant, permet de commuter un courant relativement important dans le collecteur par un courant beaucoup plus faible dans la base. Le rapport de ces courants varie selon le type de transistor et, pour un même type, selon le courant de collecteur. Dans l'exemple d'un circuit d'interrupteur, illustré ci-dessus, la résistance est choisie pour fournir un courant de base suffisant à la saturation du transistor. La valeur de la résistance de base est calculée à partir de la tension d'alimentation, de la chute de tension jonction-électrode du transistor, du courant de collecteur et du facteur d'amplification β.
Le transistor comme amplificateur
Un circuit amplificateur, une configuration à émetteur commun avec un circuit de polarisation à diviseur de tension
L' amplificateur à émetteur commun est conçu de telle sorte qu'une petite variation de tension ( V in ) modifie le petit courant traversant la base du transistor dont l'amplification de courant combinée aux propriétés du circuit signifie que de petites variations de V in produisent de grandes variations de V out .
Différentes configurations d'amplificateurs à transistor unique sont possibles, certaines offrant un gain en courant, d'autres un gain en tension, et d'autres encore les deux.
Des téléphones portables aux téléviseurs , de nombreux produits intègrent 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 avec l'apparition de transistors plus performants et l'évolution de l'architecture des amplificateurs.
Les amplificateurs audio à transistors modernes, d'une puissance allant jusqu'à quelques centaines de watts, sont courants et relativement peu coûteux.
Comparaison avec les tubes à vide
Avant l'invention des transistors, les tubes à vide (ou, au Royaume-Uni, les valves thermoïoniques ou simplement les valves ) 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 :
Absence de résistance chauffante pour la cathode (qui produit la lueur orange caractéristique des tubes), réduisant la consommation d'énergie, éliminant le délai de chauffe des résistances des tubes et immunisant contre l'empoisonnement et l'épuisement de la cathode.
Taille et poids très réduits, permettant de diminuer la taille de l'équipement.
Un grand nombre de transistors extrêmement petits peuvent être fabriqués sous forme d'un seul circuit intégré .
Faibles tensions de fonctionnement compatibles avec des batteries de quelques cellules seulement.
Il est généralement possible de réaliser des circuits plus économes en énergie. Pour les applications basse consommation (par exemple, l'amplification de tension), la consommation d'énergie peut notamment être bien inférieure à celle des tubes électroniques.
Des dispositifs complémentaires sont disponibles, offrant une flexibilité de conception incluant des circuits à symétrie complémentaire, impossibles à réaliser avec des tubes à vide.
Très faible sensibilité aux chocs mécaniques et aux vibrations, assurant une robustesse physique et éliminant pratiquement les signaux parasites induits par les chocs (par exemple, les microphonies dans les applications audio).
Insensible à la casse d'une enveloppe en verre, aux fuites, au dégazage et à tout autre dommage physique.
Limites
Les transistors peuvent présenter les limitations suivantes :
Les transistors et autres dispositifs à semi-conducteurs sont sensibles aux dommages causés par des événements électriques et thermiques très brefs, notamment les décharges électrostatiques lors de leur manipulation. Les tubes à vide sont électriquement beaucoup plus robustes.
Dans les applications audio, les transistors manquent de distorsion harmonique inférieure – le soi-disant son tube – qui est caractéristique des tubes à vide et est préféré par certains.
Fréquence de fonctionnement maximale : basse, moyenne, haute, radio (RF), micro- ondes (la fréquence effective maximale d’un transistor dans un circuit à émetteur commun ou à source commune est désignée par le terme fT , abréviation de fréquence de transition — la fréquence à laquelle le transistor produit un gain de tension unitaire)
Température de fonctionnement : Transistors pour températures extrêmes et transistors pour températures classiques (de −55 à 150 °C). Les transistors pour températures extrêmes comprennent les transistors haute température (au-dessus de 150 °C) et les transistors basse température (en dessous de −55 °C). Les transistors haute température, stables thermiquement jusqu’à 250 °C, peuvent être développés selon une stratégie générale consistant à mélanger des polymères conjugués semi-cristallins interpénétrés et des polymères isolants à haute température de transition vitreuse.
Par conséquent, un transistor particulier peut être décrit comme un transistor bipolaire à jonction ( BJT) en silicium, à montage en surface, de type NPN, à faible consommation et à commutation haute fréquence .
Mnémotechnique
Un moyen mnémotechnique pratique pour se souvenir du type de transistor (représenté par un symbole électrique ) consiste à observer le sens de la flèche. Pour un transistor bipolaire (BJT) , sur un symbole de transistor n-p-n , la flèche « ne pointe pas vers l' intérieur » . Sur un symbole de transistor p-n-p , la flèche « pointe vers l' intérieur » . Cependant, cela ne s'applique pas aux transistors MOSFET, car la flèche est généralement inversée (c'est-à-dire que la flèche du n-p-n pointe vers l'intérieur).
Transistor à effet de champ (FET)
Fonctionnement d'un transistor à effet de champ (FET) et sa courbe I<sub> d</sub> -V<sub> g </sub> . Initialement, en l'absence de tension de grille, le canal ne contient aucun électron inverseur et le transistor est bloqué. Lorsque la tension de grille augmente, la densité d'électrons inverseurs dans le canal augmente, le courant augmente et le transistor devient conducteur.
Le transistor à effet de champ , parfois appelé transistor unipolaire , utilise soit des électrons (dans le cas d' un transistor à effet de champ à canal N ), soit des trous (dans le cas d' un transistor à effet de champ à canal P ) pour la conduction. Les quatre bornes du transistor sont nommées source , grille , drain et substrat . Sur la plupart des transistors à effet de champ, le substrat est relié à la source à l'intérieur du boîtier ; cette configuration sera retenue pour la suite de la description.
Dans un transistor à effet de champ (FET), le courant drain-source circule via un canal conducteur reliant la région source à la région drain . La conductivité est modulée par le champ électrique généré par l'application d'une tension entre la grille et la source ; ainsi, le courant drain-source est contrôlé par la tension appliquée entre la grille et la source. Lorsque la tension grille-source ( V<sub> GS</sub> ) augmente, le courant drain-source ( I<sub> DS</sub> ) croît exponentiellement pour V<sub> GS</sub> inférieur au seuil, puis de façon quasi quadratique : ( I <sub>DS </sub> ∝ ( V<sub> GS </sub> − V <sub> T </sub> ) <sup> 2 </sup> , où V<sub> T</sub> est la tension de seuil à partir de laquelle le courant drain apparaît) dans la région de limitation par charge d'espace au-dessus du seuil. Ce comportement quadratique n'est pas observé dans les dispositifs modernes, par exemple à la technologie 65 nm .
Pour un faible bruit sur une bande passante étroite , la résistance d'entrée plus élevée du FET est avantageuse.
Les transistors à effet de champ ( FET) se divisent en deux familles : les JFET et les IGFET. L’IGFET est plus communément appelé MOSFET ( Metal-Oxyde-Semiconductor FET ), en référence à sa structure initiale composée de couches de métal (la grille), d’oxyde (l’isolant) et de semi-conducteur. Contrairement aux IGFET, la grille du JFET forme une diode p-n avec le canal situé entre la source et le drain. De ce fait, le JFET à canal n est fonctionnellement l’équivalent à semi-conducteurs de la triode à tube électronique qui, elle aussi, forme une diode entre sa grille et sa cathode . De plus, ces deux dispositifs fonctionnent en mode d’appauvrissement , présentent une impédance d’entrée élevée et conduisent le courant sous le contrôle d’une tension d’entrée.
Les transistors à effet de champ métal-semiconducteur ( MESFET ) sont des transistors JFET dans lesquels la jonction p-n polarisée en inverse est remplacée par une jonction métal-semiconducteur . Ces transistors, ainsi que les transistors HEMT (transistors à haute mobilité électronique, ou HFET), qui utilisent un gaz d'électrons bidimensionnel à très haute mobilité de porteurs pour le transport de charges, sont particulièrement adaptés aux applications à très hautes fréquences (plusieurs GHz).
Les transistors à effet de champ (FET) se divisent en deux catégories : à déplétion et à enrichissement , selon que le canal est bloqué ou non à tension grille-source nulle. En mode enrichissement, le canal est bloqué à tension nulle et une tension de grille peut augmenter la conduction. En mode déplétion, le canal est conducteur à tension nulle et une tension de grille (de polarité opposée) peut l' appauvrir , réduisant ainsi la conduction. Dans les deux cas, une tension de grille plus positive correspond à un courant plus élevé pour les transistors à canal n et à un courant plus faible pour les transistors à canal p. La quasi-totalité des JFET fonctionnent en mode déplétion, car les jonctions diodes seraient polarisées en direct et conduiraient si les transistors fonctionnaient en mode enrichissement. En revanche, la plupart des IGFET fonctionnent en mode enrichissement.
transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET)
Les transistors bipolaires sont ainsi nommés car ils conduisent l'électricité grâce à l'utilisation de porteurs majoritaires et minoritaires . Le transistor bipolaire à jonction, premier type de transistor produit en masse, est constitué de deux diodes à jonction. Il est formé soit d'une fine couche de semi-conducteur de type p prise en sandwich entre deux semi-conducteurs de type n (transistor n-p-n), soit d'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 crée deux jonctions p-n : une jonction base-émetteur et une jonction base-collecteur, séparées par une fine région de semi-conducteur appelée région de base. (Deux diodes à jonction reliées entre elles sans région semi-conductrice intermédiaire ne constituent pas un transistor.)
Les transistors bipolaires (BJT) possèdent trois bornes, correspondant aux trois couches de semi-conducteur : l’ émetteur , la base et le collecteur . Ils sont utilisés dans les amplificateurs car les courants à l’émetteur et au collecteur sont contrôlables par un courant de base relativement faible. Dans un transistor n-p-n fonctionnant en régime actif, 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 se forment à la jonction et s’en éloignent). Des électrons sont injectés dans la base. Du fait de la faible largeur de la base, la plupart de ces électrons diffusent dans la jonction base-collecteur polarisée en inverse et sont entraînés vers le collecteur ; environ un centième des électrons se recombinent dans la base, ce qui constitue le mécanisme prédominant du courant de base. Comme la base est faiblement dopée (comparativement aux régions d'émetteur et de collecteur), les taux de recombinaison sont faibles, ce qui permet à un plus grand nombre de porteurs de diffuser à travers la région de base. En contrôlant le nombre d'électrons quittant la base, on peut contrôler le nombre d'électrons entrant dans le collecteur. Le courant de collecteur est approximativement égal à β (gain en courant en émetteur commun) multiplié par le courant de base. Il est généralement supérieur à 100 pour les transistors de faible puissance, mais peut être inférieur dans les transistors conçus pour les applications de forte puissance.
Contrairement au transistor à effet de champ (voir ci-dessous), le transistor bipolaire (BJT) présente une faible impédance d'entrée. De plus, lorsque la tension base-émetteur ( V<sub> BE</sub> ) augmente, le courant base-émetteur, et par conséquent le courant collecteur-émetteur ( I<sub> CE</sub> ), augmentent exponentiellement, conformément aux modèles de la diode de Shockley et d' Ebers-Moll . Grâce à cette relation exponentielle, le BJT possède une transconductance supérieure à celle du transistor à effet de champ.
Les transistors bipolaires peuvent devenir conducteurs par exposition à la lumière car l'absorption de photons dans la région de base génère un photocourant qui se comporte comme un courant de base ; le courant de collecteur est approximativement β fois supérieur au photocourant. Les dispositifs conçus à cet effet possèdent une fenêtre transparente dans leur boîtier et sont appelés phototransistors .
Utilisation des MOSFET et des BJT
Le MOSFET est de loin le transistor le plus utilisé dans les circuits numériques et analogiques , représentant 99,9 % de tous les transistors dans le monde . Le transistor bipolaire (BJT) était auparavant le transistor le plus couramment utilisé dans les années 1950 et 1960. Même après la large diffusion des MOSFET dans les années 1970, le BJT est resté le transistor de prédilection pour de nombreux circuits analogiques, tels que les amplificateurs, en raison de sa meilleure linéarité, jusqu'à ce que les dispositifs MOSFET (comme les MOSFET de puissance , les LDMOS et les CMOS RF ) le remplacent dans la plupart des applications d'électronique de puissance dans les années 1980. Dans les circuits intégrés , les propriétés avantageuses des MOSFET leur ont permis de conquérir la quasi-totalité du marché des circuits numériques dans les années 1970. Les MOSFET discrets (généralement des MOSFET de puissance) peuvent être utilisés dans diverses applications de transistors, notamment les circuits analogiques, les régulateurs de tension, les amplificateurs, les transmetteurs de puissance et les commandes de moteurs.
Le GAAFET est similaire au FinFET, mais utilise des nanofils à la place des ailettes. Ces nanofils sont empilés verticalement et entourés sur leurs quatre côtés par la grille.
Le MBCFET, une variante du GAAFET utilisant des nanofeuilles horizontales au lieu de nanofils, est fabriqué par Samsung. Il est également connu sous le nom de RibbonFET (fabriqué par Intel) et de transistor à nanofeuilles horizontales.
Les transistors à couches minces (TFT), utilisés dans les écrans LCD et OLED , comprennent notamment les transistors en silicium amorphe, LTPS, LTPO et IGZO.
Transistor à haute mobilité électronique (HEMT) : transistors GaN (nitrure de gallium), SiC (carbure de silicium), Ga 2 O 3 (oxyde de gallium), GaAs (arséniure de gallium), MOSFET, etc.
transistor à effet de champ à capacité négative (NC-FET)
Un transistor Darlington dont le boîtier supérieur a été retiré pour laisser apparaître la puce (le petit carré). Il s'agit en réalité de deux transistors sur une même puce. L'un est beaucoup plus grand que l'autre, mais tous deux restent volumineux par rapport aux transistors intégrés à grande échelle, car cet exemple précis est destiné aux applications de puissance.Les transistors Darlington sont deux transistors bipolaires connectés ensemble pour fournir un gain en courant élevé égal au produit des gains en courant des deux transistors.
Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) utilisent un IGFET de puissance moyenne, connecté de la même manière qu'un transistor bipolaire de puissance, pour obtenir une impédance d'entrée élevée. Des diodes de puissance sont souvent connectées entre certaines bornes en fonction de l'application. Les IGBT sont particulièrement adaptés aux applications industrielles exigeantes. Le modèle ASEA Brown Boveri (ABB) 5SNA2400E170100 , destiné aux alimentations triphasées, intègre trois IGBT n-p-n dans un boîtier de 38 × 140 × 190 mm et pesant 1,5 kg. Chaque IGBT est conçu pour une tension de 1 700 volts et un courant de 2 400 ampères.
Le transistor bipolaire à commutation d'émetteur (ESBT) est une configuration monolithique d'un transistor bipolaire haute tension et d'un MOSFET de puissance basse tension en topologie cascode . Il a été introduit par STMicroelectronics dans les années 2000 et abandonné quelques années plus tard, vers 2012
Le transistor à plusieurs bases est utilisé pour amplifier les signaux de très faible niveau dans des environnements bruyants, comme la cellule d'un tourne-disque ou les étages d'entrée radio . Il s'agit en fait d'un très grand nombre de transistors en parallèle où, à la sortie, le signal est ajouté de manière constructive, tandis que le bruit aléatoire n'est ajouté que de manière stochastique .
Le transistor à diffusion , formé par diffusion de dopants dans un substrat semi-conducteur, peut être à la fois un transistor bipolaire (BJT) et un transistor à effet de champ (FET).
Le transistor unijonction , utilisable comme générateur d'impulsions simple, est constitué d'un corps principal en semi-conducteur de type p ou n, avec des contacts ohmiques à chaque extrémité (bornes Base1 et Base2 ). Une jonction avec le semi-conducteur de type opposé est formée en un point de la longueur du corps pour la troisième borne ( émetteur ).
Les transistors à un seul électron (SET) sont constitués d'un îlot de grille entre deux jonctions tunnel. Le courant tunnel est contrôlé par une tension appliquée à la grille via un condensateur.
Le transistor nanofluidique contrôle le mouvement des ions à travers des canaux submicroscopiques remplis d'eau.
Le transistor à nanofils sans jonction (JNT) utilise un simple nanofil de silicium entouré d'un anneau électriquement isolé qui sert à contrôler le flux d'électrons à travers le fil.
Le transistor à canal sous vide à l'échelle nanométrique , dont la construction d'un prototype de transistor à canal sous vide de seulement 150 nanomètres a été rapportée en 2012 par la NASA et le National Nanofab Center en Corée du Sud, peut être fabriqué à bas coût en utilisant un traitement standard des semi-conducteurs en silicium, peut fonctionner à des vitesses élevées même dans des environnements hostiles et pourrait consommer autant d'énergie qu'un transistor standard.
Transistors à effet de champ crénelés à super-réseau
Identification du dispositif
Trois normes d'identification principales sont utilisées pour désigner les transistors. Dans chacune d'elles, le préfixe alphanumérique fournit des indications sur le type de composant.
Conseil conjoint d'ingénierie des dispositifs électroniques (JEDEC)
Le système de numérotation JEDEC a été développé dans les années 1960 aux États-Unis. Les références des transistors JEDEC EIA-370 commencent généralement par 2N , indiquant un composant à trois bornes. Les transistors à effet de champ à double grille sont des composants à quatre bornes et leur référence commence par 3N. Le préfixe est suivi d'un nombre à deux, trois ou quatre chiffres sans signification particulière quant aux propriétés du composant, bien que les premiers composants avec des numéros faibles aient souvent été des transistors au germanium. Par exemple, le 2N3055 est un transistor de puissance n-p-n en silicium, et le 2N1301 est un transistor de commutation ap-n-p au germanium. Un suffixe alphabétique, tel que A, est parfois utilisé pour indiquer une variante plus récente, mais rarement un groupement de gains.
dispositif à quatre bornes, tel que les transistors à effet de champ à double grille
Norme industrielle japonaise (JIS)
Au Japon, la désignation JIS des semi-conducteurs (JIS-C-7012) identifie les transistors dont la référence commence par 2S , par exemple 2SD965. Cependant, le préfixe 2S n'est pas toujours indiqué sur le boîtier : un transistor 2SD965 peut être simplement marqué D965 et un transistor 2SC1815 peut être référencé par un fournisseur sous la référence C1815 . Cette série comporte parfois des suffixes, tels que R, O, BL (rouge, orange, bleu, etc.), pour désigner des variantes, notamment des groupes de gain ( hFE ) plus serrés .
Tableau des préfixes de transistors JIS
Préfixe
Type et utilisation
2SA
transistor bipolaire p–n–p à haute fréquence
2SB
transistor bipolaire p–n–p à fréquence audio
2SC
transistor bipolaire n–p–n haute fréquence
2SD
transistor bipolaire n–p–n à fréquence audio
2SJ
transistor FET à canal P (JFET et MOSFET)
2SK
transistor FET à canal N (JFET et MOSFET)
Association européenne des fabricants de composants électroniques (EECA)
L'Association européenne des fabricants de composants électroniques (EECA) utilise un système de numérotation hérité de Pro Electron lors de sa fusion avec l'EECA en 1983. Ce système commence par deux lettres : la première indique le type de semi-conducteur (A pour le germanium, B pour le silicium et C pour les matériaux comme le GaAs) ; la seconde lettre désigne l'utilisation prévue (A pour une diode, C pour un transistor à usage général, etc.). Un numéro de séquence à trois chiffres (ou une lettre et deux chiffres pour les composants industriels) suit. Sur les premiers dispositifs, ce numéro indiquait le type de boîtier. Des suffixes peuvent être utilisés, suivis d'une lettre (par exemple, C signifie souvent un gain élevé en courant d'extinction , comme dans : BC549C ) ou d'autres codes pour indiquer le gain (par exemple, BC327-25) ou la tension nominale (par exemple, BUK854-800A ). Les préfixes les plus courants sont :
Les fabricants de composants peuvent utiliser leur propre système de numérotation, comme par exemple CK722 . Étant donné que les composants proviennent souvent de fournisseurs secondaires , le préfixe du fabricant (tel que MPF dans MPF102, qui désignait initialement un transistor FET Motorola ) n'est plus un indicateur fiable du fabricant. Certains systèmes de dénomination propriétaires reprennent des éléments d'autres systèmes ; par exemple, un PN2222A est un 2N2222A (probablement de Fairchild Semiconductor ) en boîtier plastique (mais un PN108 est une version plastique d'un BC108, et non d'un 2N108, tandis que le PN100 n'a aucun lien avec les autres composants de la série xx100).
Les fabricants achetant un grand nombre de pièces similaires peuvent se les faire livrer avec des numéros de référence , identifiant une spécification d'achat particulière et non nécessairement un composant doté d'un numéro d'enregistrement normalisé. Par exemple, la pièce HP 1854,0053 est un transistor JEDEC 2N2218 auquel est également attribué le numéro CV : CV7763
Problèmes de dénomination
Avec la multitude de systèmes de dénomination indépendants et l'abréviation des références imprimées sur les composants, des ambiguïtés peuvent parfois survenir. Par exemple, deux composants différents peuvent porter la marque J176 (l'un étant le JFET basse consommation J176, l'autre le MOSFET haute puissance 2SJ176).
Avec l'apparition d'équivalents en boîtier CMS pour les transistors traversants anciens, ces derniers se voient attribuer de nombreuses références différentes. En effet, les fabricants doivent gérer la variété des brochages et les options permettant d'intégrer des transistors doubles ou appariés n-p-n + p-n-p dans un même boîtier. Ainsi, même si le composant d'origine (comme le 2N3904) a été normalisé et est bien connu des ingénieurs depuis des années, les nouvelles versions sont loin d'être standardisées dans leur dénomination.
Construction
Matériau semi-conducteur
Caractéristiques des matériaux semi-conducteurs
Matériau semi-conducteur
Tension directe de jonction à 25 °C, V
Mobilité électronique à 25 °C, m² / (V·s)
Mobilité des trous à 25 °C, m² / (V·s)
Température maximale de jonction , °C
Ge
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 transistors bipolaires (BJT) étaient fabriqués à partir de germanium (Ge). Les transistors à effet de champ (BJT) sont actuellement majoritairement en silicium (Si), mais certaines versions avancées pour micro-ondes et hautes performances utilisent désormais le matériau semi-conducteur composé arséniure de gallium (GaAs) et l' alliage semi-conducteur silicium-germanium (SiGe). Les matériaux semi-conducteurs mono-élémentaires (Ge et Si) sont qualifiés d' élémentaires .
Le tableau ci-contre présente les paramètres approximatifs des matériaux semi-conducteurs les plus couramment utilisés pour la fabrication des transistors. Ces paramètres varient en fonction de la température, du champ électrique, du niveau d'impuretés, des contraintes et de divers autres facteurs.
La tension directe de jonction est la tension appliquée à la jonction émetteur-base d'un transistor bipolaire (BJT) pour que la base conduise un courant spécifié. Le courant augmente exponentiellement avec la tension directe de jonction. Les valeurs indiquées dans le tableau sont typiques pour un courant de 1 mA (ces mêmes valeurs s'appliquent aux diodes semi-conductrices). Plus la tension directe de jonction est faible, mieux c'est, car cela signifie qu'une puissance moindre est nécessaire pour commander le transistor. La tension directe de jonction, pour un courant donné, diminue avec l'augmentation de la température. Pour une jonction en silicium typique, la variation est de −2,1 mV/°C. Dans certains circuits, des éléments de compensation spécifiques ( sensibilisateurs ) doivent être utilisés pour compenser ces variations.
La densité des porteurs de charge mobiles dans le canal d'un MOSFET dépend du champ électrique qui le forme et de divers autres phénomènes, comme le niveau d'impuretés. Certaines impuretés, appelées dopants, sont introduites intentionnellement lors de la fabrication d'un MOSFET afin de contrôler son comportement électrique.
Les colonnes « Mobilité des électrons » et « Mobilité des trous » indiquent la vitesse moyenne de diffusion des électrons et des trous dans le matériau semi-conducteur, sous l'effet d'un champ électrique de 1 volt par mètre. En général, plus la mobilité des électrons est élevée, plus le transistor fonctionne rapidement. Le tableau montre que le germanium (Ge) est un meilleur matériau que le silicium (Si) à cet égard. Cependant, le Ge présente quatre inconvénients majeurs par rapport au silicium et à l'arséniure de gallium :
Il est moins adapté à la fabrication de circuits intégrés.
Comme la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous pour tous les matériaux semi-conducteurs, un transistor bipolaire n–p–n donné est généralement plus rapide qu'un transistor p–n–p équivalent . Parmi les trois semi-conducteurs, l'arséniure de gallium (GaAs) possède la plus grande mobilité électronique. C'est pourquoi il est utilisé dans les applications haute fréquence. Le transistor à effet de champ (FET) HEMT (High Electron Mobility Transistor ), une technologie relativement récente, utilise une hétérostructure (jonction entre différents matériaux semi-conducteurs) d'arséniure d'aluminium-gallium (AlGaAs) et d'arséniure de gallium (GaAs), dont la mobilité électronique est deux fois supérieure à celle d'une jonction barrière GaAs-métal. Grâce à leur rapidité et leur faible bruit, les HEMT sont utilisés dans les récepteurs satellites fonctionnant à des fréquences proches de 12 GHz. Les HEMT à base de nitrure de gallium et de nitrure d'aluminium-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 maximale indiquées sont issues des fiches techniques de différents fabricants. Il est impératif de ne pas dépasser cette température, sous peine d'endommager le transistor.
La jonction Al-Si désigne la diode à barrière métal-semiconducteur (aluminium-silicium) haute vitesse, communément appelée diode Schottky . Elle figure dans le tableau car certains transistors IGFET de puissance en silicium présentent une diode Schottky inverse parasite formée entre la source et le drain lors de leur fabrication. Cette diode peut s'avérer gênante, mais elle est parfois utilisée dans le circuit.
Conditionnement
Transistors discrets assortisTransistors KT315b de fabrication soviétique
Les transistors discrets peuvent être des transistors encapsulés individuellement ou des puces de transistors non encapsulées.
Les transistors sont disponibles dans de nombreux boîtiers semi-conducteurs différents (voir image). Les deux principales catégories sont les boîtiers traversants (ou à broches ) et les boîtiers à montage en surface ( CMS ). Le boîtier BGA ( Ball Grid Array ) est le plus récent des boîtiers CMS. Il comporte des billes de soudure sur sa face inférieure à la place des broches. Plus petits et dotés d'interconnexions plus courtes, les boîtiers CMS offrent de meilleures performances en haute fréquence, mais une puissance admissible inférieure.
Les boîtiers des transistors sont en verre, en métal, en céramique ou en plastique. Le boîtier détermine souvent la puissance nominale et les caractéristiques de fréquence. Les transistors de puissance possèdent des boîtiers plus volumineux qui peuvent être fixés à des dissipateurs thermiques pour un refroidissement optimal. De plus, la plupart des transistors de puissance ont le collecteur ou le drain directement relié au boîtier métallique. À l'opposé, certains transistors micro-ondes à montage en surface sont aussi petits que des grains de sable.
Souvent, un même type de transistor est disponible en plusieurs boîtiers. Si les boîtiers de transistors sont généralement standardisés, l'affectation des fonctions aux bornes ne l'est pas : d'autres types de transistors peuvent affecter d'autres fonctions aux bornes du boîtier. Même pour un même type de transistor, l'affectation des bornes peut varier (généralement indiquée par une lettre en suffixe à la référence, par exemple BC212L et BC212K).
De nos jours, la plupart des transistors sont disponibles dans une large gamme de boîtiers CMS (composants montés en surface). En comparaison, la liste des boîtiers traversants disponibles est relativement restreinte. Voici une courte liste des boîtiers traversants les plus courants pour transistors, par ordre alphabétique : ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO-220, TO-247, TO-251, TO-262, ZTX851.
Les puces de transistors non encapsulées peuvent être assemblées en dispositifs hybrides. Le module IBM SLT des années 1960 est un exemple de module de circuit hybride utilisant des puces de transistors (et de diodes) passivées au verre. Parmi les autres techniques d'encapsulation pour les transistors discrets sous forme de puces, on peut citer la fixation directe sur puce (DCA) et le montage sur carte (COB).
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