Cours Electronique Transistor Bipolaire

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INTRODUCTIONIl existe une catgorie de composants (qu'ils soient lectriques, mcaniques, etc ) trs intressante : c'est celle qui permet d'obtenir en sortie du dispositif une grandeur de mme nature et proportionnelle au stimuli d'entre. Les exemples foisonnent : le levier, qui permet d'avoir en sortie un effort plus important qu'en entre, ou bien un dplacement plus important (ou plus faible) que celui appliqu l'entre ; l'engrenage, qui est la mme chose que le levier pour les mouvements rotatifs : il permet de multiplier ou diviser la vitesse ou bien le couple d'entre ; le transformateur, qui permet de multiplier ou diviser la tension d'entre. Dans chacun de ces cas, la variable de sortie est de mme nature que la variable dentre, et il existe un coefficient de proportionnalit entre les deux, indpendant de l'entre, donc intrinsque au dispositif. Il faut toutefois noter que dans tous les cas cits, il y a conservation de lnergie : l'nergie la sortie du composant est la mme que celle l'entre. Il existe d'autres dispositifs prsentant les mmes caractristiques que ceux prcdemment cits, et qui en plus, permettent de daugmenter lnergie : on trouve en sortie du dispositif une nergie suprieure celle fournie l'entre. Bien entendu, il n'y a pas de gnration spontane d'nergie, il faudra donc au dispositif une entre supplmentaire par laquelle une source sera susceptible de fournir de l'nergie. Dans ce cas, il n'y a pas seulement transformation de la sortie proportionnellement l'entre, mais transfert d'nergie d'une source extrieure la sortie du dispositif, ce transfert tant contrl par l'entre. Des exemples mcaniques bien connus sont respectivement les freins et la direction assiste. Dans le premier cas, l'effort de freinage est proportionnel l'effort exerc sur la pdale, mais une source d'nergie auxiliaire permet d'avoir la pdale un effort beaucoup plus faible que ce qu'il faudrait sans l'assistance. Dans le deuxime cas, on a la mme chose : les roues tournent proportionnellement l'angle de rotation du volant, mais la plus grosse partie de l'effort est prise en charge par un dispositif hydraulique. Dans les deux cas, le dispositif permet d'amplifier l'effort exerc tout en le conservant proportionnel au stimuli d'entre, ce qui facilite la commande. Un tel dispositif est en fait un robinet de rgulation d'nergie : il faut disposer d'un rservoir d'nergie, on pose le robinet dessus, et on peut disposer de l'nergie proportionnellement une commande d'entre. En lectronique, un tel composant est intressant car il va permettre d'amplifier un signal, et de commander des actionneurs requrant de la puissance (haut parleurs, moteurs, etc ) avec des signaux de faible niveau issus de capteurs (microphone, sonde de temprature, de pression, etc.). Le transistor jonction va permettre de remplir (entre autres) cette fonction en lectronique. Son domaine d'action est donc particulirement vaste. Avant linvention du transistor en 1948 par les amricains John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley (prix nobel de physique 1956), cette fonction tait remplie par des tubes vide (triodes entre autres). L'avnement du transistor n'a donc pas apport la fonction miracle en elle mme, mais une commodit d'utilisation, l'encombrement rduit (les tubes vide ont besoin d'un systme d'alimentation complexe avec des tension relativement leve, et ncessitent une adaptation d'impdance en sortie (transformateur)), et plus tard, la fiabilit, le faible cot.

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L'histoire du transistor a commenc au dbut du dix-neuvime sicle quand Jns Berzelius (17791848), un chimiste sudois dcouvrit en 1817 le silicium (Si). C'est le second lment le plus rpandu de la crote terrestre aprs l'oxygne. La silice n'est rien d'autre que du sable (SiO2). Le germanium fut dcouvert en 1886 par le chimiste allemand Clemens Winkler (1838-1904).Ce sont les deux semi-conducteurs qui seront utiliss dans la fabrication des transistors. En 1883, l'amricain Thomas Edison (1847-1931) dcouvrit qu' l'intrieur d'une ampoule en verre ferme hermtiquement dans laquelle on avait fait un vide pouss, on pouvait extraire des lectrons d'un filament chauff au rouge (2300C pour le tungstne). Il suffisait de communiquer aux lectrons une nergie suprieure celle qui a pour effet de les maintenir proximit des noyaux atomiques et de les rcuprer avec une plaque froide porte un potentiel positif. Edison ne s'attarda pas sur cette dcouverte qui n'offrait pas l'poque d'applications rentables. En 1904, l'lectricien anglais John Ambrose Fleming (1849-1945) eut l'ide de mettre profit l'effet Edison pour la dtection des oscillations radiolectriques. Dans une lampe semblable celle d'Edison, des lectrons taient mis par un filament suffisamment chauff, ils n'taient rcuprs par une plaque place distance du filament que si elle tait un potentiel positif. C'tait donc une sorte de valve laissant passer le courant lectrique dans un seul sens (effet redresseur). Cette valve a t finalement appele diode et a remplac le cohreur de Branly (tube limaille invent en 1890) dans la dtection des ondes hertziennes. En 1907, l'inventeur amricain Lee de Forest (1873-1961), mit au point la premire triode en introduisant une grille entre le filament chauff et la plaque d'une diode. La grille permettait de contrler le dplacement d'lectrons. Grce la grille, on pouvait doser les puissances d'mission radio et rcuprer un message sonore de bonne qualit. Cette invention appele aussi "audion" fut la base de la radio, de la tlvision, des radars et des premiers ordinateurs. Entre 1900 et 1929, l'utilisation des semi-conducteurs est empirique. On les rencontrait dans les dtecteurs d'ondes lectromagntiques (galne) et dans les redresseurs de courants alternatifs (oxyde de cuivre, slnium). En 1910, les travaux de deux chercheurs amricains, Dunwoody et Pickard, sur les cristaux aboutirent l'invention du rcepteur galne, le premier rcepteur radio. La galne, cristal de sulfure de plomb, associe quelques composants simples, permit des milliers d'amateurs de construire eux-mmes leur rcepteur radio. En 1929, le physicien suisse, naturalis amricain, Flix Bloch (1905-1983) proposa la premire thorie cohrente de la conduction dans les solides. De 1929 1939, les recherches sur l'tat solide restrent thoriques mais il apparaissait clairement que les semi-conducteurs allaient remplacer les gros commutateurs lectromcaniques dans les systmes automatiques, malgr des essais peu concluants. En 1939, l'anglais Nevill F. Mott (n en 1905) proposa une thorie sur les jonctions mtalsemi-conducteur. A la mme poque, aux Etats-Unis, dans les Bell Laboratories de Murray Hill, Walter Brattain (1902-1987) et William Shockley (19101989) s'obstinaient mettre au point un amplificateur base de germanium, de cuivre et d'oxyde de cuivre pour rpondre des besoins spcifiques en tlphonie. En 1946, John Bardeen (19081991) rejoignit les Bell Laboratories. Il y est rest jusqu'en 1951, aux cts de Shockley et de Brattain. A son arrive, les travaux de ces derniers taient dans l'impasse. Ils n'arrivaient pas raliser un amplificateur tat solide qui aurait remplac les tubes vide. Bardeen suggra de s'orienter vers l'tude des phnomnes de surface. Les recherches se dvelopprent dans ce sens et, le 23 dcembre 1947, aprs beaucoup de bricolage, les trois hommes obtinrent un effet d'amplification sur la voix humaine : Le transistor (de l'anglais "transfer resistor") naissait, mais il tait pointe et manquait de stabilit et de puissance. Les trois scientifiques reurent le prix Nobel en 1956 pour leurs travaux. Le 24 janvier 1948, les amricains John Mauchly (1907-1980), John P. Eckert (n en 1919) et John V. Neumann (1903-1957) prsentrent le premier ordinateur de l'histoire : l'IBM SSEC capable de recevoir un programme enregistr. Cet ordinateur utilisait 13 500 tubes, 21 000 relais et ralisait l'addition de 3 500 nombres de 14 chiffres en une seconde. 2

William Shockley donna en 1949 la thorie des jonctions P-N et mit au point la diode jonction. Il inventa deux ans plus tard le transistor jonctions puis en 1952, le transistor effet de champ, fond sur un effet qui avait t dcouvert par Lilienfield en 1928. Le transistor pouvant amplifier des courants lectriques, engendrer des oscillations lectriques et assumer les fonctions de modulation et de dtection allait progressivement remplacer les lampes de radio et, en 1955, les premiers rcepteurs radio transistors apparaissaient. Le transistor est une vritable triode semi-conducteurs qui ne ncessite plus de tension lectrique leve (~ 250 V) ncessaire aux lampes, 9 V suffisent. Le transistor occupe cent fois moins de place qu'une lampe, rsiste bien aux chocs et aux vibrations, sa dure de vie dpasse 100 000 heures alors que l'efficacit des lampes dcrot aprs 2 000 heures de fonctionnement. En 1959, Jack S. Kilby mit au point le premier circuit intgr appel "puce" comprenant prs de 5 000 composants lmentaires sur une pastille de 5 mm de ct. L'intgration a t ralise en utilisant deux techniques : l'oxydation et la diffusion. L'anne suivante, les premiers ordinateurs entirement transistoriss apparaissaient. Ils comportaient de 5 000 10 000 transistors. Les mmoires taient tores de ferrite. A partir de 1960, l'utilisation du silicium beaucoup plus stable que le germanium se gnralisa et la taille des transistors diminua. En 1964, le transistor jonctions tait un petit morceau de silicium de moins d'un millimtre carr et de quelques diximes de millimtres d'paisseur. A partir de 1970, une nouvelle technologie dite M.O.S. (metal oxide semiconductor) permit de fabriquer des transistors effet de champ, grille isole par une couche d'oxyde de silicium, plus petits et plus rapides. En 1971, Marcian Hoff, de la Socit INTEL, mit au point le premier microprocesseur qui fonctionnait sur quatre bits : le 4004. Les fonctions lmentaires d'un ordinateur taient rassembles sur un seul composant lectronique quivalent 2 300 transistors. La taille des tran