Lettre d'avril 2012 1000000000000000000000000000000Retour à Journal

Le transistor, 2e Partie

Après avoir présenté les semi-conducteurs (lettre de février 2012), nous entrons dans le vif du sujet du plus grand succès de la Physique Quantique. Le transistor, ce minuscule élément des circuits imprimés, a conquis à pas de géant la planète entière en révolutionnant toutes les technologies dès le milieu du XXe siècle.

Les phénomènes à la base du transistor utilisent les propriétés chimiques des atomes, et en particulier la place qu'ils occupent dans le tableau de Mendeleiev. Selon cette place, les cristaux formés de ces atomes sont conducteurs, isolants ou semi-conducteurs, car on peut en déduire le comportement global des électrons. La Physique Quantique permet d'obtenir des détails plus fins et les calculs montrent que les électrons se répartissent dans des bandes d'énergie (lettre de février 2012). On distingue les bandes de valence, dans lesquelles les électrons sont liés aux atomes, et les bandes de conduction, qui laissent leurs électrons voyager librement dans le cristal.


Dopage des semi-conducteurs: les donneurs et les accepteurs

Des impuretés sont fréquentes dans les cristaux: souvent des atomes d'un autre type se trouvent pris dans les mailles du cristal. Ces impuretés, même si elles sont peu nombreuses, peuvent changer radicalement le comportement du cristal.

Aussi des impuretés sont introduites volontairement, pour obtenir toutes sortes d'effets. Cette technique s'appelle le dopage. On obtient d'excellents résultats même si les impuretés sont très rares, présentes sous forme de trace.

Ainsi dans un semi-conducteur comme le silicium, dont la structure géométrique est celle du diamant (un atome entouré de quatre autres, symétriquement répartis dans l'espace), on peut introduire quelques atomes de phosphore. Dans le tableau de Mendeleiev le phosphore (de symbole P) se trouve juste à droite du silicium (symbole Si). Cela signifie que l'atome P possède cinq électrons sur sa dernière couche. Quatre sont utilisés dans des liaisons covalentes avec les quatre atomes Si adjacents. Puis reste un électron solitaire, non apparié. Cet électron est si peu lié à son atome qu'il frôle la bande de conduction du cristal.

Semi-conducteur donneur

Un cristal de silicium dopé au phosphore devient donc un conducteur, puisque les électrons non appariés peuvent se déplacer facilement et engendrer un courant sous l'action d'une différence de potentiel. Un tel semi-conducteur est appelé donneur, puisqu'il met des électrons à disposition. (On a dessiné le réseau à deux dimensions pour simplifier, en réalité les cellules de base forment des tétraèdres dans l'espace.)

De façon symétrique on peut doper un cristal de silicium en introduisant quelques atomes d'aluminium. Dans le tableau de Mendeleiev l'aluminium (symbole Al), se trouve juste à gauche du silicium. Cela signifie que l'atome Al possède trois électrons sur sa dernière couche. Ceux-ci sont utilisés dans des liaisons covalentes avec trois atomes de silicium adjacents. Puis reste un atome Si handicapé, attendant en vain un électron de l'atome Al.

Semi-conducteur accepteur

Un cristal de silicium dopé à l'aluminium devient donc un conducteur, puisqu'en le reliant à une pile électrique, les électrons de la pile sont happés par les atomes Al et donc qu'un courant électrique s'installe. Un tel semi-conducteur est appelé accepteur, puisqu'il accepte des électrons disponibles. (Ici aussi on a dessiné le réseau à deux dimensions, alors que les cellules de base forment des tétraèdres dans l'espace.)


La diode

Comme les semi-conducteurs dopés donneur et accepteur sont complémentaires, il peut être intéressant de les rassembler. En juxtaposant un donneur et un accepteur on obtient un élément aux propriétés surprenantes qu'on nomme une diode.

Passons sur la prouesse technique consistant à lier parfaitement les deux cristaux et étudions les propriétés de la surface de contact. Le donneur veut donner des électrons et l'accepteur veut les accepter. Les électrons isolés des atomes de phosphore vont traverser la paroi et servir d'électrons supplémentaires aux atomes d'aluminium.

Mais cela ne va pas sans autre, car les atomes de phosphore spoliés deviennent des ions P+ et les atomes d'aluminium profiteurs des ions Al-. La nature, ayant horreur des charges opposées juxtaposées, freine le mouvement. Un équilibre finit par s'installer, où l'on voit de part et d'autre de la surface quelques ions P+ du côté donneur et le même nombre de ions Al- du côté accepteur.

La diode

Que va-t-il se passer si une telle diode est placée dans un circuit électrique?

Supposons notre diode plongée dans un potentiel électrique. Si la borne négative est du côté du donneur, elle chassera les électrons non appariés des atomes de phosphore vers la paroi, et ils pourront neutraliser les ions P+. D'autre part la borne positive du côté accepteur attirera les électrons superflus des ions Al-, et la nature sera satisfaite. Si le potentiel est généré par une pile électrique, les électrons circuleront sans entrave et un courant s'établira.

Diode alimentée dans le sens direct

En résumé, dans ce sens, la diode se comporte comme un simple conducteur.

Inversement, plaçons la borne positive du côté du donneur. Elle attire les électrons non appariés des atomes de phosphore, ce qui augmente encore le nombre de ions P+. De l'autre côté, la borne négative pousse les rares électrons mobiles vers la paroi, ce qui augmente le nombre de ions Al-. Cela ne fait qu'amplifier le déséquilibre autour de la surface de contact! La nature s'y oppose fermement et bloque la situation. Aucun courant ne peut s'installer.

Diode alimentée dans le sens indirect

Ainsi donc, la diode se comporte comme un conducteur dans un sens, qu'on appelle sens direct, et comme un isolant dans l'autre. Cette situation ne se rencontre jamais avec des conducteurs ou des isolants ordinaires!


Applications de la diode

A quoi peut bien servir une diode dans un circuit électrique? Nous avons vu qu'elle ne laisse passer le courant que dans un sens. Aussi un courant alternatif en entrée donnera à la sortie un courant d'un seul signe. La diode agit donc comme un "redresseur de courant".

Redresseur de courant

La diode a bien d'autres utilisations. Par exemple ses propriétés changent sous l'effet de la chaleur. Si les deux éléments de la diode ne sont pas à la même température, l'équilibre électrique est modifié et une tension particulière apparaît. On peut ainsi transformer de la chaleur en énergie électrique, et obtenir ce qu'on appelle un "générateur thermoélectrique".

Il faut encore mentionner une importante application de la diode, très utile à la cause environnementale. La diode permet de convertir la lumière en électricité, grâce au phénomène de la photo-électricité.


Le transistor

Venons-en au but de cette lettre. Le transistor est un composant électronique formé de la juxtaposition de deux diodes. Nous considérerons le cas "donneur–accepteur–donneur" (l'autre cas "accepteur–donneur–accepteur" est symétrique).

Un transistor

Un peu de vocabulaire. Le premier composant est appelé l'émetteur, celui du milieu la base et le dernier le collecteur.

Si nous plongeons cet objet dans un potentiel électrique, aucun courant ne passera, quelque soit le sens du potentiel. Dans chaque cas, l'une des parois bloque le passage des électrons. A quoi un tel objet peut-il donc servir?

En réalité, la taille de la base n'est pas comme sur le dessin, mais infiniment mince. Mettons alors une très faible différence de potentiel entre l'émetteur et la base, dans le sens direct, et observons ce qui se passe.

Le courant de base

Un courant passe comme prévu, qu'on appelle courant de base. Notons que la base étant très mince, il suffit d'un courant très faible pour neutraliser les ions P+ et décharger les ions Al-. Remarquons alors que l'autre paroi, celle entre la base et le collecteur, n'est donc plus chargée de ions Al- d'un côté, et partant, n'a plus de ions P+ dans l'autre: cette diode se trouve désamorcée! Dans ces conditions, il n'y a plus d'opposition au passage d'électrons à travers cette paroi si on connecte le collecteur à une borne positive, plus forte que celle de la base!

Les courants traversant un transistor

Pour que cela fonctionne, il est nécessaire que le potentiel entre l'émetteur et le collecteur soit plus fort que celui entre l'émetteur et la base. Dans ces conditions, une très petite partie des électrons qui traversent l'émetteur neutralisent les ions autour de la première paroi puis quittent la base, pour former le courant de base, et le reste des électrons pénètrent en masse dans le collecteur et se précipitent sur le pôle le plus positif. Un courant traverse donc le transistor, qui se comporte comme un simple conducteur! Mais dans un seul sens, bien sûr.

L'intérêt, c'est ce qu'on appelle l'effet transistor: il suffit d'un très faible courant de base pour que le transistor se comporte comme un conducteur.


Applications du transistor

Le transistor est surtout utilisé pour sa propriété d'amplification de courant. En effet un faible courant de base permet d'obtenir un courant de sortie de l'ordre de 50 fois plus grand. Pour citer un exemple d'application, on peut prendre la direction assistée d'une voiture: en manœuvrant le volant un moteur modifie la direction des roues en faisant intervenir une énergie bien supérieure à celle qu'a donnée le conducteur. Des transistors sont utilisés pour y parvenir.

On n'a considéré jusqu'ici que des courants d'un seul sens. Or un transistor peut aussi amplifier un courant alternatif: il suffit de lui ajouter un courant continu de sorte que la somme n'ait qu'un sens. En l'amplifiant par un transistor puis en soustrayant la composante continue on obtient une forte amplification du courant initial. Ce mécanisme est à la base de la radio et de la télévision, qui nécessitent justement d'amplifier fortement un très faible signal capté dans l'air pour le rendre audible.

On peut regrouper plusieurs transistors dans des unités ayant des fonctions particulières. Ce sont des circuits intégrés, qu'on appelle aussi puces électroniques. C'est ce qu'on trouve sur nos cartes bancaires ou téléphoniques. Enfin en rassemblant un nombre gigantesque de circuits intégrés on arrive aux microprocesseurs, les "cerveaux" des ordinateurs (ou cartes mères), dont les plus récents concentrent sur une petite surface (moins d'un décimètre carré) plus d'un milliard de transistors!


Historique

Pour être honnête, des composants électroniques ayant les propriétés des diodes et des transistors existaient auparavant: ce sont ces grosses lampes qu'on trouve dans les vieilles radios ou télévisions (datant des années 50) et qu'on appelle tubes électroniques. Mais leur usage est très limité, sans comparaison avec celui des transistors. En effet:
- les lampes utilisent beaucoup de place, alors qu'un milliard de transistors tiennent sur une petite plaque,
- les lampes chauffent énormément; les transistors chauffent aussi (c'est pourquoi il y a un ventilateur dans chaque ordinateur), mais dans une bien moindre mesure,
- à l'allumage les lampes demandent environ une minute pour être opérationnelles, alors que les transistors agissent instantanément.

L'effet transistor a été découvert en 1947 par les américains John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, ce qui leur valu le prix Nobel en 1956. C'était un travail théorique qui interprétait astucieusement des résultats de calculs de Physique Quantique. La première radio à transistors a été construite par Norman Krim en 1954. Son succès fut tel qu'on appela "transistors" les radios elles-mêmes. Le premier circuit intégré fut conçu par Jack Kilby en 1958, invention pour laquelle il reçu le prix Nobel en 2000.


Références

- Mécanique Quantique, R. Feynman

- Voir aussi les différents sites de wikipedia sur ces sujets.


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