Le transistor - Fondation La main à la pâte

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Le transistor
Auteurs
: Equipe La main à la pâte (plus d'infos)
Résumé
Le transistor fait partie de la famille des composants électroniques. Il en
est certainement le plus petit et le plus illustre représentant : Sa renommée
: est même si grande qu’il a laissé son nom à l’une des premières
applications de l’électronique pour le grand public : le récepteur miniaturisé
de radiodiffusion.
Publication
: 1 Avril 1998
.
Le transistor fait partie de la famille des composants électroniques. Il en est certainement le
plus petit et le plus illustre représentant : plus les années passent, plus il se ratatine, plus il
prolifère et plus ses prérogatives croissent (voir INTÉGRATION)… Sa renommée est même
si grande qu’il a laissé son nom à l’une des premières applications de l’électronique pour le
grand public : le récepteur miniaturisé de radiodiffusion.
Chacun sait ce qu’est un interrupteur : en position fermée, le courant passe et la lumière jaillit,
en position ouverte, le courant est coupé et les ténèbres envahissent tout… Le principe du
transistor est identique, si ce n’est que la commande, au lieu d’être un bouton poussoir que
l’on actionne manuellement, est électrique.
On le schématise (figure 1) à l’aide de trois fils électriques, dénommés respectivement la
base (c’est elle qui joue le rôle du bouton poussoir), l’émetteur et le collecteur : lorsque la
tension électrique entre la base d’une part, et l’émetteur et le collecteur d’autre part, est
supérieure à une certaine valeur seuil, l’interrupteur est fermé et le courant passe entre
l’émetteur et le collecteur ; sinon, il est ouvert et rien ne passe.
Figure 1. Schémas du transistor
Histoire de l'électronique et des transistors
L’électronique a commencé son développement au début du xxe siècle, avec la mise au point
des tubes électroniques. Constitués d’une enceinte dans laquelle on a fait le vide, ces
dispositifs accélèrent des électrons entre deux électrodes soumises à une forte tension : la
cathode, qui émet les électrons, et l’anode, qui les attire. Ces tubes permettent d’agir sur les
courants électriques des circuits dans lesquels ils sont intégrés. L'un d'eux, la triode, a joué
un rôle très important dans l’essor de la radiodiffusion. Inventée en 1906, la triode est
constituée d’un tube à vide dans lequel une électrode supplémentaire, appelée grille, est
insérée entre la cathode et l’anode. En appliquant une faible tension (appelée tension de
commande) entre la grille et la cathode, on peut faire varier dans de très grandes proportions
le nombre d’électrons parvenant à l’anode, donc le courant électrique traversant le tube. La
triode constitue en somme un amplificateur électronique, capable de transformer un signal de
faible amplitude (la tension de commande) en un signal de grande amplitude (le courant
parvenant à l’anode).
Dès les années 30, les tubes électroniques furent détrônés sur certains points par l'essor de
composants solides, plus simples d’emploi, robustes, moins encombrants et moins
gourmands en énergie : les semi-conducteurs. Dès 1949, les laboratoires de Bell Telephone
aux États-Unis fabriquèrent un composant solide ayant des caractéristiques proches de celles
de la triode : le transistor. Ce mot vient de la contraction de transfert resistor, ce qui signifie en
français " résistance de transfert ". Le principe en a été inventé par trois chercheurs, John
Bardeen, William B. Shockley et Walter H. Brattain, mais, en dépit du prix Nobel de physique
qu’ils ont obtenu en 1956, ne leur a pas valu une notoriété à la dimension de leur invention…
Fabrication des transistors
Avant d'expliquer ce qu'est un transistor, il faut rappeler qu’il existe deux types de semiconducteurs " dopés ", c'est-à-dire dans lesquels des atomes " étrangers " ont été mêlés à la
structure cristalline : les semi-conducteurs de type N, caractérisés par la présence d’électrons
mobiles (ou de conduction) en leur sein, et les semi-conducteurs de type P, où le passage du
courant est assuré non par des électrons, mais par des " trous ", particules fictives de charge
électrique positive, équivalentes à un manque d'électron. A la jonction de deux transistors,
l’un de type P, l’autre de type N, se produit un phénomène étrange, à la source de toute
l’électronique moderne, la semi-conductivité : le courant passe dans un sens, de P vers N,
lorsque les électrons rentrent dans les trous, mais pas dans le sens inverse, de N vers P, car
on ne peut arracher un électron d’un trou…
Les transistors inventés en 1949 tiraient parti de l’existence de deux jonctions de ce type : ils
étaient constitués de sandwiches de semi-conducteurs à dopages alternés (figure 2) obtenus,
par exemple, en intercalant une fine tranche de semi-conducteur P entre deux semiconducteurs N. Dans ce cas, la première couche, dopée N, porte le nom d’émetteur, car elle
joue le même rôle que la cathode dans une triode : elle émet des électrons vers le reste du
composant. Une faible proportion de ces électrons se combine avec des trous de la couche
intermédiaire de type P, appelée base. Ceux qui restent sont recueillis dans la deuxième
couche N, appelée collecteur, qui joue un rôle analogue à celui de l’anode dans la triode.
Dans cette affaire, la base remplit une fonction similaire à celle de la grille. C'est elle qui
permet de contrôler le flux d’électrons parvenant jusqu'au collecteur.
Addons
Figure 2. Le sandwich qui fait " switch "
Tout transistor peut fonctionner selon trois régimes. En régime normal, le flux d’électrons
parvenant au collecteur est proportionnel à celui qui quitte la base (le coefficient de
proportionnalité peut varier de quelques dizaines à quelques centaines). Ce mode permet
donc de recueillir au collecteur un courant amplifié par rapport à celui qui parvient à la base.
Les deux autres régimes correspondent à des cas limites : en régime dit de blocage, aucun
courant ne traverse le composant qui se comporte comme un interrupteur ouvert ; en régime
de saturation, le courant est au contraire à sa valeur maximale, ce qui ferme l’interrupteur. En
modulant la tension de la base, on fait donc basculer le transistor entre ces deux états, ouvert
ou fermé, ce qui réalise un interrupteur à commande électrique, et le tour est joué…
"Le Trésor, dictionnaire des sciences © Flammarion 1997. Ce texte ne peut être ni
reproduit, ni vendu sans l’autorisation de l’éditeur."
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