Dans les deux types de transistors bipolaires (NPN et PNP), l'électrode traversée par l'ensemble du courant s'appelle émetteur. Le courant dans l'émetteur est égal à la somme des courants du collecteur et de la base.
La flèche identifie l'émetteur et suit le sens du courant ; elle pointe vers l'extérieur dans le cas d'un NPN, vers l'intérieur dans le cas d'un PNP. L'électrode reliée au milieu de la barre centrale figure la base et la troisième électrode figure le collecteur.
Dans le cas de l'effet de champ, la flèche disparaît, car le dispositif est symétrique (drain et source sont interchangeables). Les traitsobliques sont habituellement remplacés par des traits droits.
Pour le transistorMOS, la grille se détache des autresélectrodes, pour indiquer l'isolation due à la présence de l'oxyde.
En réalité, il existe une quatrième connexion pour les transistors à effet de champ, lesubstrat (parfois appelébulk), qui est habituellement relié à la source, c’est-à-dire la connexion entre S et ses chemins vers D sur le schéma.
Un transistor comporte troisélectrodes actives permettant de contrôler un courant ou une tension sur l'électrode de sortie (lecollecteur pour letransistor bipolaire et ledrain sur untransistor à effet de champ) grâce à une électrode d'entrée (labase sur un transistor bipolaire et lagrille pour un transistor à effet de champ). Le transistor est isolant sans tension sur la bornebase, et conducteur avec une tension sur la bornebase.
Letransistor bipolaire est unamplificateur de courant : on injecte un courant dans l'espace base/émetteur afin de créer un courant multiplié par legain du transistor entre l'émetteur et le collecteur. Lestransistors bipolaires NPN (négatif-positif-négatif), qui laissent circuler un courant de la base (+) vers l'émetteur (–), sont plus rapides et ont une meilleure tenue en tension que les transistors PNP base (–) émetteur (+), mais peuvent être produits avec des caractéristiques complémentaires par les fabricants pour les applications le nécessitant.
L'organe de commande dutransistor à effet de champ est la grille (gate en anglais). Celle-ci n'a besoin que d'unetension (ou un potentiel) entre la grille et la source pour contrôler le courant entre la source et le drain. Lecourant de grille est nul (ou négligeable) en régime statique, puisque la grille se comporte vis-à-vis du circuit de commande comme un condensateur de faible capacité. Il existe plusieurs types detransistors à effet de champ : transistorsMOSFET à appauvrissement, MOSFET à enrichissement (de loin les plus nombreux) et FET à jonction (JFET). Dans chaque famille, on peut utiliser soit un canal de type N soit de type P, ce qui fait donc en tout six types différents.
Pour les transistors à appauvrissement ainsi que les JFET, le canal drain–source est conducteur si le potentiel de grille est nul. Pour le bloquer, il faut rendre ce potentiel négatif (pour les canaux N) ou positif (pour les canaux P). Inversement, les transistors à enrichissement sont bloqués lorsque la grille a un potentiel nul. Si on polarise la grille d'un transistor N par une tension positive ou celle d'un transistor P par une tension négative, l'espace source–drain du transistor devient passant.
Chacun de ces transistors est caractérisé par une tension de seuil, correspondant à la tension de grille qui fait la transition entre le comportement bloqué du transistor et son comportement conducteur. Contrairement aux transistors bipolaires, dont la tension de seuil ne dépend que du semi-conducteur utilisé (silicium, germanium ou As-Ga), la tension de seuil des transistors à effet de champ dépend étroitement de la technologie et peut varier notablement même au sein d'un même lot. Le transistor à effet de champ à déplétion à canal N est le semi-conducteur dont les caractéristiques se rapprochent le plus des anciens tubes à vide (triodes). À puissance égale, les transistors N sont plus petits que les P. À géométrie égale, les transistors N sont également plus rapides que les P. En effet, les porteurs majoritaires dans un canal N sont lesélectrons, qui se déplacent mieux que lestrous, majoritaires dans un canal P. La conductivité d'un canal N est ainsi supérieure à celle d'un canal P de même dimension.
La plupart descircuits intégrésnumériques (en particulier lesmicroprocesseurs) utilisent la technologieCMOS qui permet d'intégrer à grande échelle (plusieurs millions) des transistors à effet de champ (à enrichissement) complémentaires (c'est-à-dire qu'on retrouve des N et des P). Pour une même fonction, l'intégration de transistors bipolaires consommerait beaucoup plus de courant. En effet, un circuit CMOS ne consomme du courant que lors des basculements. La consommation d'une porte CMOS correspond uniquement à la charge électrique nécessaire pour charger sacapacité de sortie. Leur dissipation est donc quasiment nulle si la fréquence d'horloge est modérée ; cela permet le développement de circuits à piles ou batteries (téléphones ou ordinateurs portables, appareils photo…).
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) : hybride qui a les caractéristiques d'un transistor à effet de champ en entrée et les caractéristiques d'un transistor bipolaire en sortie. Uniquement utilisé dans l'électronique de puissance.
Transistor unijonction : ce transistor est utilisé pour ses caractéristiques de résistance dynamique négative, ce qui permet de réaliser simplement un oscillateur. Il n'est plus utilisé de nos jours.
Phototransistor : c'est un transistor bipolaire, dont la jonction base–collecteur est sensible à la lumière. Par rapport à unephotodiode, il est plus sensible, car il bénéficie de l'effet amplificateur propre au transistor.
L'opto-isolateur : le phototransistor est monté dans le même boîtier qu'unediode électroluminescente. C'est la lumière qui assure la transmission des signaux entre le phototransistor et la diode électroluminescente. Le pouvoir d'isolation très élevé (de l'ordre de 5 kV) en fait le composant idéal pourisoler galvaniquement un circuit de commande, d'un circuit de puissance. Il existe aussi des opto-isolateurs utilisant d'autres composants en sortie tels lethyristor, letriac.
Le termetransistor provient de l'anglaistransfer resistor(résistance de transfert). Il a été sélectionnépar un comité directeur de vingt-six personnes[source insuffisante][1] desBell Labs le[2], parmi les noms proposés suivants :semiconductor triode,surface states triode,crystal triode,solid triode,iotatron,transistor.Pour des raisons commerciales, il fallait un nom court, sans équivoque avec la technologie des tubes électroniques, et le motTransistor fut retenu[3][source insuffisante],[1].
Ce nom correspond à la fonction de résistance électrique pouvant être commandée par une tension ou un courant électrique.
Parmétonymie, le terme « transistor » désigne souvent lesrécepteurs radio équipés de transistors (originellement appelésposte à transistors).
Herbert Mataré etHeinrich Welker, deuxphysiciens allemands, ont aussi développé parallèlement et indépendamment le « transistor français » en juin 1948 alors qu'ils travaillaient à la Compagnie des Freins et Signaux à Paris[5]. Ils déposent leur première demande de brevets pour un transistor le. Les études menées par les commissaires montrent qu'ils ne se sont pas appuyés sur l'annonce du transistor du laboratoire américain mais qu'ils ont bien eu l'idée en même temps[5]. Le, cette invention européenne est présentée par la presse au public sous le nom de « Transistron »[6],[7]. L'objectif est alors de conquérir le marché mondial en premier. À l'époque, la presse technique donne l'avantage au transistron considéré plus résistant et plus stable[5]. Néanmoins le gouvernement français étant focalisé sur la technologie nucléaire, le transistron est mis à l'écart et perd son avantage face au transistor[5]. En 1952, Herbert Mataré crée l'entreprise Intermetall qui est la première à produire des transistors et qui atteindra son apogée un an plus tard avec la présentation de la première radio à transistor un an avant celle deTexas Instruments. En 1954, Texas Instruments met au point son prototype de poste radio à transistor qui sera industrialisé par la société IDEA (Industrial Development Engineering Associates)[8].
Avant cela, Herbert Mataré avait déjà approché l'effet transistor alors qu'il travaillait pour l'armée allemande durant la seconde guerre mondiale dans le but d'améliorer les radars. L'urgence de la guerre l'empêcha de se pencher davantage sur le sujet et il qualifia ce phénomène d'« interférences ». Lorsque la Russie reprit le village où il travaillait en Pologne, Herbert Mataré dut brûler toutes ses notes de peur qu'elles ne tombententre les mains de l’ennemi[réf. nécessaire][5].
Le transistor est considéré comme un énorme progrès face autube électronique : beaucoup plus petit, plus léger et plus robuste, fonctionnant avec des tensions faibles, autorisant une alimentation par piles, il fonctionne presque instantanément une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage, généraient une consommation importante et nécessitaient une source de tension élevée (plusieurs centaines devolts).
Une fois le transistor découvert, l'ouverture au grand public ne fut pas immédiate. La première application du transistor fut, pour la radio, en 1954[9], soit7 ans après la découverte du transistor. La première radio à transistor commercialisée était leRegency TR-1(en). Mais à partir de ce moment son influence sur la société augmenta de façon exponentielle, en particulier chez les scientifiques et les industriels. En effet, à partir du milieu des années 1950, on commence à utiliser le transistor dans lesordinateurs, les rendant assez fiables et relativement petits pour leur commercialisation. À partir de 1957,IBM construisait tous les nouveaux ordinateurs avec des transistors au lieu des tubes à vide[8].
Après l'invention ducircuit intégré en 1958, groupant en un petit volume plusieurs transistors et composants, en 1969 est inventé lemicroprocesseur, permettant à des milliers de transistors de fonctionner en harmonie sur un support, ce qui est encore une fois une révolution pour l'informatique moderne[10]. L'Intel 4004, sorti en mars 1971 et commandité parBusicom, intègre 2 250 transistors et exécute 60 000 opérations par seconde[8].
De nos jours, le transistor est omniprésent dans la plupart des appareils de notre quotidien. Le nombre de transistors dans un microprocesseur a considérablement augmenté pendant que sa taille diminuait, suivant en cela laloi de Moore prédisant durant plusieurs décennies un doublement du nombre de transistors des microprocesseurs, donc un doublement de la puissance de calcul de ces derniers, tous les 18-24 mois. Au, date du décès de Gordon Moore, la plus grande intégration pour une puce commerciale combinant CPU, GPU et moteur neuronaux est de 114 milliards de transistors pour environ 864 mm2[11]. Elle est de 2 600 milliards de transistors pour une super-puce de type "wafer-scale intégration" (interconnexion de toutes les puces d'une même galette). Le transistor a contribué au développement d'une grande variété de domaines[12]. Il est présent dans tout ce qui contient un tant soit peu d'électronique, de notre cafetière à nos voitures en passant par nos smartphones ou les feux de signalisation. Dès qu'il y a un choix plus complexe que ouvert/fermé dans un appareil électronique, un transistor entre en jeu[13].
Un transistor bipolaire est un dispositif électronique à base de semi-conducteur dont le principe de fonctionnement est basé sur deuxjonctions PN, l'une en direct et l'autre en inverse.
La technologie bipolaire est plutôt utilisée en analogique et en électronique de puissance.
Les technologiesFET etCMOS sont principalement utilisées en électronique numérique (réalisation d'opérations logiques). Ils peuvent être utilisés pour faire des blocs analogiques dans des circuits numériques (régulateur de tension par exemple). Ils sont aussi utilisés pour faire des commandes de puissance (moteurs) et pour l'électronique haute tension (automobile). Leurs caractéristiques s'apparentent plus à celles des tubes électroniques.
Un mélange des deux technologies est utilisé chez lesIGBT.
Pour la grande majorité des applications, on utilise le silicium alors que les matériaux plus exotiques tels que l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium sont plutôt utilisés pour réaliser les transistorshyperfréquences.
Un transistorbipolaire se compose de deux parties de substrat semiconducteurdopées identiquement (P ou N) séparées par une mince tranche de semiconducteur dopée inversement ; on a ainsi deux types : N-P-N et P-N-P.
Le transistorà effet de champ à jonction classiquement se compose d'un barreau de semiconducteur dopé N (ou P), et entouré en son milieu d'un anneau de semiconducteur dopé inversement P (ou N). On parle de FET à canal N ou P suivant le dopage du barreau.
Le transistorà effet de champMOS se compose d'un barreau de semiconducteur P ou N sur lequel on fait croître parépitaxie une mince couche d'isolant (dioxyde de silicium par exemple), laquelle est surmontée d'une électrode métallique.
Quelques transistors montés dans différents boitiers : cms, TO-92A, TO-126 et TO-3.
Les premiers transistors utilisaient legermanium commesemi-conducteur. Ce matériau, de nouveau utilisé pour certaines applications, a vite été remplacé par lesilicium plus résistant, plus souple d'emploi, moins sensible à la température. Il existe aussi des transistors à l'arséniure de gallium utilisés en particulier dans le domaine deshyperfréquences.
Les évolutions technologiques ont donné les transistors oucommutateursMOS de puissance, ils sont de plus en plus utilisés dans toutes les applications de commutation de forte puissance (classe D),basse tension, vu qu'ils n'ont presque plus derésistance de drain contrairement aux transistors, ils ne s'échauffent pas et n'ont donc pas besoin de refroidissement (radiateurs).
Legraphène, nouveau matériau très prometteur et performant, pourrait remplacer le silicium dans les transistors de future génération et permettre de prolonger laloi de Moore en termes de miniaturisation des transistors pour la microélectronique et la nanoélectronique de nouvelle génération[14],[15],[16].
Vers des transistors ultra-fins (bidimensionnels)[14] ?
On a réussi à produire des transistors audisulfure de molybdène (MoS2) atomiquement minces[17], mais la miniaturisation restait difficile[18]. Récemment (en 2022) des transistors MoS2 à paroi latérale à canal atomiquement mince et dotés d'une longueur de grille physique de moins de 1 nm ont été produits sur le bord d'une couche de graphène utilisée comme électrode de grille, grâce à des films de graphène et de MoS2 développés par dépôt chimique en phase vapeur pour la fabrication de transistors à paroi latérale sur une tranche de 2 pouces[19].
Sauf dans le domaine des fortes puissances, il est devenu rare de n'avoir qu'un seul transistor dans un boîtier (pour les fortes puissances, on optera pour un montageDarlington, permettant d'obtenir un gain en courant plus important).
Lescircuits intégrés ont permis d'en interconnecter d'abord des milliers, puis des millions. L'intégration de plus d'un milliard de transistors sur un seul composant a été atteinte en parNvidia avec la puce GT200. Cette puce, utilisée commeprocesseur graphique (GPU), atteint 1,4 milliard de transistorsgravés en 65 nanomètres, sur une surface d'environ 600 mm2.
↑Comme souvent en histoire des sciences, la paternité de cette découverte est parfois remise en cause, pour être attribuée àJulius Edgar Lilienfeld qui, en 1925, avait déjà découvert le principe du transistor à effet de champ. Cependant, Bardeen, Shockley et Brattain restent universellement reconnus comme les pères de cette invention, parce qu'ils ont effectivementfabriqué le premier transistor.
↑« Le poste à transistors à la conquête de la France : La radio nomade (1954-1970) » [archive], sur franceculture.fr, avril 2012 (consulté le 28 février 2018).
↑Communiqué de presse du 8 mars 2022 : "Apple dévoile la puce M1 Ultra, la plus puissante jamais intégrée à un ordinateur personnel". https://www.apple.com/fr/newsroom/2022/03/apple-unveils-m1-ultra-the-worlds-most-powerful-chip-for-a-personal-computer/
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