Transistor | Définition, types, symboles et historique

Presque toute l'électronique moderne repose sur un composant fondamental appelé transistor. Le transistor est également l'élément de base des systèmes embarqués modernes, qui contrôle le traitement des données. Un transistor est un composant essentiel des circuits intégrés (CI), des microprocesseurs et des microcontrôleurs, ainsi que de la quasi-totalité des appareils électroniques.  

Le transistor est un dispositif semi-conducteur à trois bornes utilisé pour contrôler le flux de courant. Lorsqu'une tension ou un courant est appliqué aux bornes d'entrée d'un transistor, celui-ci contrôle ou amplifie le signal d'entrée pour générer un signal de sortie. Il est composé de matériaux semi-conducteurs tels que le germanium ou le silicium. Comprendre les transistors, leurs types, leurs symboles et leur fonctionnement est essentiel pour que les ingénieurs électriciens puissent concevoir des systèmes électroniques modernes.

Qu'est-ce que Transistor?

Un transistor est un dispositif électronique qui contrôle le flux de courant. Il possède trois bornes : base, émetteur et collecteur. Un transistor classique fonctionne en deux modes : interrupteur et amplificateur. En mode interrupteur, le transistor autorise le flux de courant. En mode amplification, il amplifie le faible signal d'entrée pour générer un signal de sortie plus important.

Un transistor est constitué de trois couches de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium et le germanium. Ces couches sont soit PNP, soit NPN. L'empilement des couches détermine le type de transistor : PNP ou NPN. Un transistor typique possède trois bornes : base, émetteur et collecteur. Ce type de transistor est appelé transistor à jonction bipolaire (BJT). Le symbole et la figure typiques d'un transistor BJT sont présentés ci-dessous.

Couches de transistors	Symbole des transistors	Boîtier de transistors

Fig-1 : Figure et symbole du transistor

Types de transistors et symboles de transistors

Les transistors sont classés en trois types : les transistors bipolaires à jonction (BJT), les transistors à effet de champ (FET) et les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Ces transistors sont ensuite subdivisés en sous-types. Les détails de chaque type de transistor sont détaillés plus loin dans cet article.

Transistor à jonction bipolaire (BJT)

Le transistor BJT possède trois bornes : base, émetteur et collecteur. Le flux de courant dans un transistor BJT est dû aux électrons libres, ou trous. Le faible courant entre la base et l'émetteur du transistor BJT peut contrôler le flux important de courant entre ces bornes. Les transistors BJT sont classés en transistors NPN et PNP.

Figure 2 : Symboles des transistors BJT

Dans un transistor PNP, un matériau semi-conducteur de type N est intercalé entre deux matériaux semi-conducteurs de type P. Cette disposition crée deux jonctions appelées jonction base-émetteur (Je) et jonction base-collecteur (Jc). Dans une application typique d'un transistor, la jonction base-émetteur est polarisée en direct et la jonction base-collecteur en inverse. Dans un transistor PNP, le courant circule grâce aux trous, porteurs de charge majoritaires.

Alors que dans le transistor NPN, le matériau semi-conducteur de type P est pris en sandwich entre deux matériaux semi-conducteurs de type N, le flux de courant dans le transistor NPN est dû aux électrons en tant que porteurs de charge majoritaires.  

Lorsqu'une tension d'entrée est appliquée entre deux bornes du transistor, elle amplifie l'entrée aux bornes de sortie. Une borne du transistor sert d'entrée et l'autre de sortie. L'autre borne sert de masse. Tpar conséquent, trois configurations de transistors sont conçues.

1. Configuration de l'émetteur commun : Dans la configuration d'émetteur commun de a transistor, l'entrée est appliquée à le  borne de base du transistor, la sortie est prise au collecteur et l'émetteur est connecté à la terre.

2. Configuration de base commune :  Dans la configuration de base commune du transistor, l'entrée est appliquée à la borne d'émetteur du transistor, la sortie est prise au collecteur et la base est connectée à la terre.

3. Configuration commune du collecteur : Dans la configuration du collecteur commun du transistor, l'entrée est appliquée à la borne de base du transistor, la sortie est prise à l'émetteur et le collecteur est connecté à la terre.

Transistor à effet de champ (FET)

Le transistor FET utilise un champ électrique pour contrôler le flux de courant. Ce type de transistor possède trois bornes : grille, drain et source. Les transistors FET sont unipolaires, contrairement aux transistors BJT qui sont bipolaires. Ils sont largement utilisés dans de nombreuses applications en raison de leur impédance élevée (jusqu'à plusieurs mégaohms), de leur faible consommation d'énergie, de leur faible dissipation thermique et de leur large plage de fréquences de commutation, jusqu'à plusieurs mégahertz. Les transistors FET sont classés en deux types : les transistors MOSFET et les transistors JFET.

MOSFET

MOSFET (Transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur). Ces transistors sont largement utilisés dans les applications d'électronique de puissance. Ce sont des dispositifs commandés en tension. Un transistor MOSFET est composé de trois couches : métal, oxyde et semi-conducteur. La couche d'oxyde (SiO₂) dans un transistor indique qu'une fine couche isolante sépare les couches métal et semi-conductrice. Par conséquent, le MOSFET utilise un champ électrique pour contrôler le flux de courant entre les couches métal et semi-conductrice. Contrairement aux transistors BJT, les transistors MOSFET ne peuvent utiliser que des électrons (type N) ou des trous (type P) comme porteurs de charge.

Figure 3 : Symboles des MOSFET à canal N et à canal P

Ces transistors offrent une impédance d'entrée très élevée et une faible impédance de sortie, le courant étant contrôlé par un champ électrique. Leur impédance d'entrée élevée les rend adaptés aux circuits électroniques de puissance, aux circuits intégrés (CI), aux amplificateurs opérationnels (AOP), aux oscillateurs, aux filtres et aux dispositifs à haute fréquence de commutation.

Figure 4 : Boîtier MOSFET traversant typique

Comme le BJT, les transistors MOSFET ont également trois configurations de fonctionnement.

1.     Configuration de porte commune (La porte est à la masse, l'entrée à la source, la sortie au drain)

2.     Configuration de drain commune (Le drain est à la masse, l'entrée à la porte, la sortie à la source)

3.     Configuration de la source commune (La source est la masse, l'entrée est à la porte, la sortie est au drain)

Les transistors MOSFET sont en outre classés en transistors MOSFET de type à amélioration, MOSFET de type à appauvrissement, PMOS et NMOS.

·       MOSFET de type à appauvrissement : Transistor MOSFET à appauvrissement également connu sous le nom de transistor D-MOSFET. Lorsque le courant circule entre les bornes source et drain d'un transistor, on parle de canal. Dans un D-MOSFET, le canal est déjà construit lors de la fabrication. Un transistor D-MOS fonctionne normalement en mode ON sans application de tension de grille. Par conséquent, dans cet état, un transistor est considéré comme un dispositif ON. Cependant, lorsque la tension de grille est appliquée à l'entrée du transistor, son canal devient résistif. Lorsque la tension augmente, le courant du canal continue de décroître jusqu'à ce que le courant du transistor entre le drain et la source cesse.

·       MOSFET de type amélioré : Le MOSFET à amélioration, également appelé transistor E-MOS, n'est pas pré-créé, contrairement au transistor D-MOS. En fonctionnement normal, aucun courant ne circule entre le drain et la source du transistor. Cependant, lorsque la tension de grille est appliquée au transistor, le courant continue d'augmenter et rend le canal du transistor moins résistif.

·  

        Transistors PMOS et NMOS : Tout comme les transistors MOSFET, les transistors PMOS et NMOS ont également trois bornes : grille, drain et source. La principale différence entre les transistors PMOS et NMOS est que dans les transistors NMOS, les couches de source et de drain sont dopées avec un matériau de type N. Alors que, dans le transistor PMOS, les couches de source et de drain sont dopées avec un matériau de type P.

Type MOS	Symbole
NMOS
PMOS

JFET

Le JFET est un dispositif commandé en tension (Junction Field Effect Transistor). Il est l'un des premiers transistors FET et le plus simple. Le courant circule dans un transistor JFET uniquement grâce aux porteurs de charge majoritaires, contrairement aux transistors à jonction bipolaire où le courant circule à la fois grâce aux porteurs de charge majoritaires et minoritaires. Les transistors JFET sont classés en N-JFET et P-JFET. Ils possèdent trois bornes : grille, source et drain.

Lors du fonctionnement normal d'un transistor, lorsque la tension de grille est nulle, les électrons se déplacent facilement de la source au drain. Cependant, lorsque la tension de grille est appliquée aux bornes source et grille du transistor, la jonction PN devient polarisée en inverse et la largeur de la couche d'appauvrissement augmente. Cela entraîne la désactivation complète du JFET.

A quoi sert un transistor ?

Un transistor est un dispositif électronique qui contrôle le flux de courant. Il a deux fonctions principales : interrupteur et amplificateur. Il possède trois modes de fonctionnement : coupure, saturation et zone active. Il fonctionne comme interrupteur ou amplificateur selon la zone de fonctionnement. Si un transistor fonctionne en zone de coupure et de saturation, il agit comme interrupteur. En revanche, s'il fonctionne en zone active, il agit comme amplificateur.

·       Transistor comme interrupteur : Grâce à la combinaison de zones de saturation et de coupure, un transistor fonctionne comme un dispositif de commutation. En zone de coupure, le courant ne circule pas et le transistor est en polarisation inverse. Il reste donc bloqué. En zone de saturation, le courant circule et le transistor est en polarisation directe. Il passe alors à l'état passant. Les transistors ont de nombreuses applications de commutation, comme le clignotement de LED, les moteurs à courant continu, les portes logiques, les variateurs haute fréquence, la régulation de puissance précise et les relais.

·       Transistor comme amplificateur : Lorsqu'un transistor est utilisé avec précision dans une zone active, il fonctionne comme un amplificateur. Le facteur important contribuant à l'amplification est le gain (bêta) du transistor. Il est généralement mentionné dans la fiche technique du transistor. Plus le gain est élevé, plus l'amplification du transistor est élevée. Un autre facteur contribuant aux performances de l'amplificateur est le rapport entre les tensions d'entrée et de sortie, les résistances d'entrée et de sortie, le gain en courant et le gain en puissance. Le transistor comme amplificateur est largement utilisé dans les signaux radio, les communications sans fil, les amplificateurs opérationnels, les appareils audio, les amplificateurs instrumentaux, les appareils médicaux et les communications par fibre optique.

Comment fonctionnent les transistors ?

Les transistors ont révolutionné le monde moderne. Aujourd'hui, ils sont utilisés partout, des smartphones aux moteurs de fusée, en passant par les processeurs modernes, les mémoires et les serveurs Internet.

Un transistor classique fonctionne comme un commutateur ou un amplificateur. Il est constitué de trois couches de matériaux semi-conducteurs de type N et de type P. Comment fonctionne un transistor ?

Un transistor classique possède trois bornes : base, émetteur et collecteur. Son rôle est de contrôler le flux de courant grâce au principe des porteurs de charge. La majorité des porteurs de charge sont des électrons ou des trous. Les trois couches sont disposées de manière à ce qu'il y ait deux types N et un type P entre les deux. On parle alors de transistor NPN, et inversement pour un transistor PNP.

Le fonctionnement fondamental des transistors repose sur la jonction base-émetteur et la jonction base-collecteur. Ces jonctions se forment lorsqu'un signal de base est appliqué à la borne base-émetteur d'un transistor. L'application d'un faible courant à l'entrée du transistor permet à un courant important de circuler depuis la jonction base-collecteur. C'est ce qu'on appelle l'amplification du transistor. Un transistor en mode amplification est obtenu en polarisant la jonction base-émetteur en direct et la jonction base-collecteur en inverse.

Lorsqu'aucun signal de base n'est appliqué à l'entrée (bornes base-émetteur) du transistor, les jonctions base-émetteur et base-collecteur sont polarisées en inverse. Par conséquent, aucun courant ne circule de l'émetteur vers le collecteur et le transistor est bloqué. Un transistor dans cette zone de fonctionnement est appelé zone de coupure.

Lorsqu'un signal de base est appliqué à l'entrée du transistor, il permet au courant de circuler de l'émetteur vers le collecteur. Dans ce cas, les jonctions base-émetteur et base-collecteur sont polarisées en direct et le collecteur est passant. Un transistor dans cette zone de fonctionnement est appelé zone de saturation.

Histoire des transistors

L'origine des transistors remonte aux tubes à vide thermoioniques. Inventés en 1907, ces tubes étaient principalement utilisés pour la radio et les systèmes radar. Il s'agissait du premier type de transistor, mais ils consommaient beaucoup d'énergie et étaient encombrants. Ces tubes à vide utilisent un signal d'entrée pour contrôler le flux de courant en sortie grâce à leurs électrodes. 

Quand et qui a inventé le transistor

En octobre 1925, un scientifique autrichien au Canada publia le tout premier brevet sur un transistor à effet de champ. Cependant, ses travaux furent ignorés à l'époque, faute d'articles scientifiques publiés. Cependant, pendant la Seconde Guerre mondiale, les laboratoires Bell s'efforcèrent de produire un cristal de germanium pur destiné aux signaux radar et aux mélangeurs de fréquences.

En 1947, John Bardeen et William Shockley, des Bell Labs, dans le New Jersey, aux États-Unis, inventèrent le tout premier transistor fonctionnel. Plus tard, en 1958, les Bell Labs lancèrent le transistor MOSFET. L'invention du MOSFET a révolutionné l'électronique moderne : il s'agissait du premier transistor planaire dont le drain et la source se trouvent sur la même surface. La découverte du MOSFET a ensuite largement remplacé les transistors conventionnels dans presque tous les appareils électroniques, y compris les processeurs, les mémoires et les microcontrôleurs.

Conclusion

En conclusion, le transistor est l’une des inventions majeures du XXe siècle.^th siècle qui a révolutionné l'électronique moderne. L'électronique embarquée moderne, comme les processeurs, les microcontrôleurs et les appareils numériques, est composée de transistors. Ces derniers sont des composants essentiels de l'électronique moderne, comme les radars, les communications par fibre optique, les dispositifs médicaux et les amplificateurs instrumentaux. Par conséquent, la compréhension du fonctionnement des transistors, de leurs principes de fonctionnement et de leurs types est essentielle pour que les ingénieurs puissent concevoir des applications de pointe.