TRANSISTORS ET THYRISTORS

TRANSISTORS ET THYRISTORS

Dispositif semi-conducteur à deux jonctions mis au point, en 1948, par trois chercheurs des Bell Telephone Laboratories (John Bardeen, William B. Shockley et Walter H. Brattain, auxquels on décerna le prix Nobel de physique en 1956), le transistor est à la base du formidable développement de l’électronique et des disciplines connexes (informatique, micro-électronique). Associé à d’autres composants ^{[cf. COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES]}, il permet de réaliser les fonctions essentielles de l’électronique que sont la génération de signaux, l’amplification, la modulation-démodulation, la commutation...

Le thyristor, dispositif à semi-conducteur comportant trois jonctions, peut être considéré comme une extension du transistor et a de nombreuses applications dans les circuits à forts courants (variation de vitesse, conversion d’énergie).

1. Transistors bipolaires

Description

Le transistor bipolaire est constitué de trois couches semiconductrices dont les dopages sont alternés: une première couche fortement dopée (l’émetteur E), une couche centrale très mince (quelques micromètres) et faiblement dopée (la base B) et une dernière couche moyennement dopée (le collecteur C). Cette structure permet de créer une interaction entre les deux jonctions: c’est l’effet transistor. On réalise des transistors de type PNP et des transistors de type NPN. Les figures 1 a et 1 b indiquent la représentation symbolique couramment utilisée pour les transistors bipolaires; le terme «bipolaire» rappelle que le fonctionnement de ces composants fait intervenir les deux types de porteurs de charge, électrons et trous. Les premiers transistors PNP au germanium étaient obtenus par la méthode d’alliage qui consistait à faire pénétrer par chauffage des atomes d’indium dans une mince plaquette de germanium dopé N. Les éléments à structure plane (transistors planars ) sont obtenus par diffusion d’impuretés dans une couche épitaxiale. Ils sont essentiellement au silicium et de type NPN. Le développement des transistors bipolaires à l’arséniure de gallium pour les circuits intégrés est en plein essor.

Fonctionnement du transistor NPN

Les fonctionnements des transistors NPN et PNP sont semblables, mais avec des tensions et des courants de signes opposés. Trois régimes de fonctionnement sont possibles: le régime de blocage, le régime normal et le régime de saturation.

En régime de blocage , les deux jonctions sont polarisées en inverse par V^CB 礪 0 et V^BE 麗 0. Le courant qui les traverse est nul si l’on considère ces deux diodes comme idéales. En pratique, on relève des valeurs extrêmement faibles (de quelques nanoampères à quelques microampères) et le transistor présente une très grande résistance (plusieurs mégohms) entre l’émetteur et le collecteur; on peut dire que le transistor se comporte alors comme un interrupteur ouvert. Ce régime de blocage est couramment utilisé pour des applications de commutation, car la puissance dissipée est quasiment nulle.

En régime normal , la jonction base-émetteur est passante, alors que la jonction collecteur-base demeure polarisée en inverse (V^CB 礪 0 et I^E 礪 0). Le fonctionnement du transistor se déduit alors en partie de celui de la jonction PN. La jonction émetteur-base étant polarisée dans le sens direct, les électrons (porteurs majoritaires de l’émetteur) la traversent et diffusent dans la base. Certains se recombinent avec des trous (porteurs majoritaires de la base) et créent un courant I^B, mais le plus grand nombre (c’est l’effet transistor), grâce au champ interne qui existe au voisinage de la jonction BC, traverse la base sans recombinaison et participe à la création d’un courant collecteur I^C = 見I^E. Par conséquent, il existe un courant de base I^B = (1 漣 見)I^E nécessaire au fonctionnement. Si l’on pose 廓 = 見/(1 漣 見), on a I^C = 廓I^B, et le transistor apparaît alors comme une source de courant commandée par le courant de base I^B. Le coefficient 廓 est appelé gain en courant : il peut varier de 10 à 500 environ selon les transistors. Pour un même transistor, 廓 fluctue en fonction de la tension V^CE, du courant I^C, de la température et du vieillissement du composant. La dispersion de fabrication sur une même série de transistors provoque des variations de 廓 qui peuvent atteindre un rapport 10.

En réalité, le fonctionnement du transistor est un peu plus complexe, car il faut prendre en compte le courant résiduel I^CB0 de la jonction CB:

correspond au courant de fuite dans l’émetteur. En régime de fonctionnement normal, le transistor peut être modélisé par le schéma de la figure 2 où la jonction BE, polarisée dans le sens direct, peut être représentée par un des modèles proposés lors de l’étude de la jonction PN: lorsque le courant collecteur I^C traverse une résistance de charge R^C, il crée à ses bornes une différence de potentiel U = R^CI^C = R^C 廓I^B directement proportionnelle au courant de base I^B. Le transistor peut ainsi être considéré comme une résistance de transfert, d’où son nom, qui correspond à une contraction de l’expression anglaise TRANSfer resISTOR.

En régime de saturation , les deux jonctions sont polarisées dans le sens direct. Si l’on considère idéales les deux diodes CB et BE, les trois électrodes se trouvent en court-circuit et le dipôle collecteur-émetteur se comporte alors comme un interrupteur fermé. En pratique, V^CE peut atteindre 0,3 V pour un transistor NPN au silicium et le transistor présente une très faible résistance (quelques ohms) entre l’émetteur et le collecteur. Le rapport I^C/I^B est alors déterminé par les conditions imposées au transistor, et sa valeur est inférieure au gain en courant défini en mode normal de fonctionnement. Compte tenu de la très faible valeur de V^CE, le transistor en régime de saturation dissipe une puissance faible; c’est pourquoi on utilise également ce régime dans les applications de commutation.

Réseaux de caractéristiques du transistor NPN

Comme le transistor se présente sous l’aspect d’un «tripôle» (dispositif à trois bornes), il est possible de définir trois configurations où chaque borne joue successivement le rôle de borne de référence (fig. 3). Dans le cas du montage émetteur commun, le dipôle d’entrée est constitué de la jonction base-émetteur, alors que le dipôle de sortie est formé de l’espace collecteur-émetteur. Chacun de ces dipôles est caractérisé par un réseau de courbes: I^B = f (V^BE) à V^CE donnée et I^C = f (V^CE) à I^B donné. La caractéristique d’entrée est identique à celle d’une jonction seule, car la tension V^CE dépasse 1 V. La figure 4 présente le réseau de sortie: on y retrouve les trois régimes de fonctionnement déjà décrits.

En régime de blocage, il subsiste un courant collecteur I^CE0 = 廓I^CB0 dont l’ordre de grandeur est de quelques centaines de nanoampères à la température ambiante. Cependant, comme ce courant est lié aux porteurs minoritaires, sa valeur double tous les 6 ⁰C environ pour le silicium. Sur une grande plage de température, cette variation est loin d’être négligeable et comme le gain en courant varie également en fonction de la température, l’ensemble des caractéristiques se déplace. Cela se révèle gênant dans la plupart des cas, et il est nécessaire de s’en affranchir en choisissant une polarisation adaptée.

Polarisation du transistor NPN en configuration émetteur commun

Le choix du point de polarisation permet de déterminer le régime de fonctionnement en rapport avec la fonction électronique à assurer. De manière graphique, on obtient le point de fonctionnement M au repos (sans autre signal appliqué que les sources de polarisation) en traçant les droites de charges dans les réseaux d’entrée et de sortie. Ces droites correspondent aux équations tension-courant imposées par le circuit extérieur. Sous peine de détérioration du composant, il est nécessaire de respecter certaines conditions: la densité de courant admissible dans la jonction base-collecteur limite le courant collecteur à une valeur I^CMAX; la tension de claquage inverse de cette même jonction limite également la tension collecteur-émetteur à une valeur V^CEMAX et enfin le produit V^CEI^C, qui représente sensiblement la puissance totale à dissiper par le transistor, doit rester inférieur à une valeur P^MAX (de quelques centaines de milliwatts à une centaine de watts selon le transistor).

Ces différentes contraintes déterminent une zone limitée à l’intérieur de laquelle le point de fonctionnement doit obligatoirement demeurer.

On rencontre fréquemment deux montages fondamentaux à une seule source d’alimentation V^CCE qui utilisent soit une polarisation de base par résistance série R^B (fig. 5 a), soit une polarisation par pont de base R^B1 R^B2 (fig. 5 b).

Amplification linéaire (classe A)

Elle permet d’amplifier sans distorsion un signal d’entrée qui varie, en général, au cours du temps. Pour que le point de fonctionnement M reste en zone normale de fonctionnement et de manière à avoir une excursion d’amplitude maximale de la tension de sortie, il faut que le point de repos M⁰ se situe au milieu de la droite de charge statique ( ). En montage émetteur commun, la polarisation retenue est souvent celle de la figure 5 b: le pont de base R^B1R^B2 et l’action de la résistance d’émetteur R^E stabilisent en température le point de repos M⁰. Compte tenu de la relation linéaire I^C = 廓I^B, l’amplification ne reste linéaire à fort niveau que si le transistor est commandé en courant. Le signal à amplifier est appliqué sur la base du transistor à travers une capacité de liaison C^e qui permet de ne pas perturber le fonctionnement statique. On prélève par l’intermédiaire d’une capacité C^s les variations de tension aux bornes de la résistance de charge R^C. On obtient ainsi le traditionnel montage amplificateur émetteur commun dont le gain en tension v^s /v^e vaut sensiblement R^C/R^E (fig. 6). Si on souhaite augmenter le gain, on découple partiellement ou totalement la résistance d’émetteur par une capacité C^E. Le gain tend alors vers la valeur R^C/r ^e , où r ^e désigne la résistance différentielle de la jonction base-émetteur (r ^e = 26 m V/I^E à la température ambiante).

Amplification non linéaire

L’amplification non linéaire (classes B et C) est utilisée pour les amplificateurs de puissance, afin de limiter la puissance dissipée au repos et d’augmenter ainsi le rendement. En l’absence de signal à amplifier, le point de fonctionnement se situe en zone de blocage, et c’est le signal d’entrée qui rend passant le transistor durant certains intervalles de temps. Le courant I^C se présente alors sous forme pulsée, et il faut ensuite le reconstituer pour obtenir le signal de sortie sans distorsion.

Transistor en commutation

Pour représenter des signaux binaires, on utilise le plus souvent les deux états qui dissipent peu d’énergie: l’état bloqué et l’état saturé. On fait commuter le transistor d’un état à l’autre, le plus rapidement possible, pour minimiser la dissipation d’énergie lors du passage par la zone linéaire et obtenir des changements d’état en un temps très bref. Ces changements d’état mettent en œuvre des mécanismes de charge et de décharge capacitives au niveau de la jonction base-émetteur.

Ces temps de commutation sont très faibles pour les transistors qui sont montés dans les circuits intégrés et qui servent dans les unités arithmétiques ou logiques et dans les mémoires d’ordinateurs (quelques fractions de nanoseconde). On y parvient avec des transistors de très petites dimensions (quelques micromètres), ayant une répartition exponentielle des impuretés dans la base. À la fin des années 1980, on arrivait déjà à mettre plus de 30 000 transistors par millimètre carré de silicium, on envisage déjà un million de transistors sur une pièce élémentaire.

2. Transistors unipolaires

Description

Les transistors unipolaires sont des dispositifs semiconducteurs qui utilisent la variation de résistance d’un canal sous l’effet d’une tension de commande. Le terme unipolaire signifie que le phénomène de conduction ne fait intervenir qu’un seul type de porteurs (les électrons pour un canal N et les trous pour un canal P). On distingue plusieurs types de structure: le transistor à effet de champ à jonction (JTEC ou plus simplement TEC), le transistor à effet de champ à grille isolée, en abrégé MOS (metal oxide semiconductor ), et le transistor MOS complémentaire (CMOS).

Transistor à effet de champ à jonction

Description

La figure 7 présente la structure simplifiée d’un TEC canal N. Une tension positive V^DS appliquée entre drain et source provoque la circulation d’un courant d’électrons dans le canal. Une tension négative appliquée entre la grille et la source crée une zone de charge d’espace, ou zone de déplétion, qui module la conductivité du canal.

Réseaux de caractéristiques (fig. 8)

À tension V^GS nulle, on constate que le courant croît avec V^DS jusqu’à une valeur limite V^P dite de pincement pour laquelle les zones de charges d’espace des deux jonctions grille-canal se rejoignent pratiquement. Au-delà apparaît un phénomène de limitation du courant (la résistance du canal et la tension V^DS variant sensiblement dans les mêmes proportions). Lorsque la grille est polarisée négativement, cette limitation est obtenue pour une valeur plus faible de V^DS. On distingue deux zones; en premier lieu, une zone ohmique où le transistor se comporte comme une résistance variable, commandée par la tension de la grille suivant la loi approximative:

où r ⁰ varie de quelques ohms à quelques centaines d’ohms, selon la géométrie du composant; en second lieu une zone de pincement, pour laquelle I^D vaut environ:

qui permet un fonctionnement linéaire comparable à celui des transistors bipolaires (I^DSS est la valeur de I^DS quand V^GS = 0).

Domaines d’utilisation

La forte impédance d’entrée des TEC (plusieurs dizaines, voire centaines de mégohms) associée à un faible bruit propre rend ces transistors particulièrement bien adaptés à l’amplification des faibles signaux sous forte impédance.

En commutation, ils présentent par rapport aux transistors bipolaires certains avantages, comme un gain en puissance plus élevé et une impédance d’entrée aux faibles fréquences beaucoup plus forte, ce qui permet de réaliser de grandes constantes de temps avec des capacités assez faibles (réalisation de monostables ou d’astables).

Transistor à effet de champ à grille isolée

Dans ce type de transistor (fig. 9), la grille (électrode constituée d’une couche d’aluminium ou de silicium polycristallin) est isolée du canal par une couche de silice Si². Le canal peut exister en l’absence de polarisation de grille (canal diffusé) ou être induit par action électrostatique, dès que la tension grille-source V^GS dépasse un certain seuil. On parle respectivement de MOS à appauvrissement ou de MOS à enrichissement . En effet, dans ce second cas, le transistor est bloqué en l’absence de polarisation de grille (I^DSS = 0), mais si, dans le cas d’un substrat de type P, une tension positive V^GS est appliquée, les électrons sont attirés vers l’interface Si-Si², et, au-delà d’une valeur V^GS dite de seuil, il y a apparition d’un canal N qui autorise le passage d’un courant entre drain et source: le canal est créé en enrichissant la zone superficielle. Pour les transistors à appauvrissement, un canal préexiste (I^DSS 0), mais, selon la polarisation de grille, il peut être appauvri (V^GS 麗 0) ou enrichi (V^GS 礪 0) [fig. 10].

Les caractéristiques statiques ont la même allure que celles des TEC, et l’on retrouve les zones ohmique et de pincement. (Si l’on part d’un substrat de type N, on obtient un canal P, et les tensions appliquées sont de signe opposé par rapport au cas précédent.) La grille étant isolée, la résistance d’entrée du transistor MOS est très élevée (de 10¹¹ 行 à 10¹⁵ 行), et, la capacité grille-source étant très faible, ces transistors sont extrêmement sensibles aux charges électrostatiques qui peuvent provoquer le claquage de la couche de silice. Il faut donc intégrer des dispositifs de protection contre les surtensions (le plus souvent, deux diodes tête-bêche placées entre grille et source). En raison de leurs très petites dimensions, de leur faible consommation et de leur facilité d’intégration, le domaine privilégié d’emploi des transistors MOS est celui des circuits intégrés (mémoires, microprocesseurs, circuits logiques).

Certes, ces dispositifs sont encore moins rapides que les circuits correspondants à transistors bipolaires, mais des progrès spectaculaires ont été effectués. On assiste en effet à une formidable compétition technique entre les deux types de composants au niveau de la rapidité, de la puissance dissipée, de la densité d’intégration, de la fiabilité, par exemple le transistor à effet de champ en arséniure de gallium-aluminium.

Les transistors de type VMOS (à grille particulière en forme de V) permettent par exemple des applications de puissance (plusieurs dizaines de watts) jusqu’à des fréquences très élevées (plusieurs milliers de mégahertz). Les autres structures MOS que l’on trouve sont les suivantes: CMOS (complémentaires), COSMOS (complémentaires symétriques), MNOS (metal nitride oxyde semiconductor , où une couche de nitrure de silicium est intercalée entre l’aluminium et la silice), SOS (silicon on sapphire , où le substrat est en saphir artificiel). Il faudrait parler des transistors à «gaz d’électrons» ou à haute mobilité (H.E.M.T.) avec l’utilisation de l’arséniure de gallium.

3. Transistors pour hyperfréquences

On utilise essentiellement des transistors NPN au silicium à base très étroite et au profil de dopage non uniforme qui permettent de travailler jusqu’à 5 GHz environ (1 GHz = 10⁹ Hz). On obtient alors en amplification linéaire des puissances continues de l’ordre du watt ou de la dizaine de watts. Le facteur de bruit de ces transistors n’excède pas 3 dB dans cette gamme de fréquences. Bien qu’ils soient continus, les progrès obtenus sont moins rapides pour ce type de composants que pour les transistors à effet de champ. Ces derniers sont réalisés à partir d’un substrat en arséniure de gallium et comportent une jonction de type Schottky. Jusqu’à 10 GHz, ils peuvent délivrer des puissances continues de quelques dizaines de watts avec un facteur de bruit typique de 1 dB. Au-delà, leur emploi est tout à fait possible, mais cela a lieu au détriment du gain et du facteur de bruit. (On obtient ainsi des facteurs de bruit d’environ 3 dB à 25 GHz pour des puissances continues de l’ordre du watt.) Pour les applications de commutation, on leur préfère les diodes à effet de volume qui offrent des performances plus intéressantes que les transistors hyperfréquences.

Toutefois, des études sont activement menées dans ces domaines encore en pleine évolution et à la limite de la recherche et de l’industrialisation.

4. Thyristors

Un thyristor est un composant semiconducteur constitué de quatre zones, alternativement dopées P et N, qui forment trois jonctions J¹, J² et J³. On distingue (fig. 11): l’anode A, reliée à la première zone P, la gâchette G (ou grille), reliée à la seconde zone P et qui commande le passage de l’état bloqué à l’état passant et, enfin, la cathode K, reliée à la zone N terminale. Lorsque la différence de potentiel V^AK est négative, les jonctions J¹ et J³ sont polarisées en inverse, et la jonction J² en direct. Du fait des différences de dopage entre les zones, on peut considérer que la jonction J¹ supporte seule la tension de polarisation: la caractéristique obtenue est alors semblable à celle d’une diode en inverse. Lorsque V^AK devient positive, seule la jonction J² se trouve polarisée en inverse et s’oppose au passage du courant. Deux possibilités s’offrent, en principe, pour débloquer le thyristor: on peut augmenter la tension anode-cathode jusqu’à provoquer l’avalanche dans la jonction J², ce qui rendra passant le thyristor; on peut également – sans augmenter V^AK – injecter un courant de gâchette qui favorise l’effet d’avalanche. Si ce courant est suffisamment important, la tension critique d’avalanche devient inférieure à la tension V^AK appliquée, et le thyristor devient passant. C’est toujours cette seconde méthode qui est employée en pratique. On obtient une caractéristique I^AK = f (V^AK) très particulière (fig. 12), pour laquelle la résistance présentée entre l’anode et la cathode diminue brutalement après le déclenchement, pour atteindre alors une valeur très faible. Pour bloquer de nouveau le thyristor, l’annulation du courant de gâchette ne suffit pas; il faut aussi supprimer le courant d’anode pendant un temps suffisamment long, appelé temps de désamorçage. Le thyristor est principalement utilisé dans les circuits à forts courants. Il permet de faire varier la puissance dissipée dans une charge et trouve ainsi de nombreuses applications dans les montages suivants: charge de batteries, commande de moteurs à vitesse variable, systèmes de conversion d’énergie (hacheur, redresseur, etc.). Afin d’obtenir des rendements de conversion plus élevés, on associe souvent deux thyristors montés tête-bêche (triac), comme, par exemple, dans les montages graduateurs de lumière.

Les progrès obtenus tant au niveau des performances qu’au niveau du coût ont permis de réaliser des systèmes électroniques de plus en plus complexes où les transistors jouent un rôle essentiel, en particulier dans les circuits intégrés. Du récepteur de radiodiffusion à piles des années cinquante (auquel le transistor a d’ailleurs donné son nom) aux satellites de télécommunications actuels, de la télévision en noir et blanc aux magnétoscopes en couleur, des premiers calculateurs scientifiques aux micro-ordinateurs, le développement du transistor a marqué les grandes étapes du progrès de l’électronique et a nettement influencé l’évolution de la civilisation moderne.

Encyclopédie Universelle. 2012.