Transistor:

Le transistor est un composant actif qui fait partie de la famille des semi-conducteurs à trois électrodes actives, qui permet de contrôler un courant (ou une tension) sur une des électrodes de sorties (le collecteur pour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor à effet de champ) grâce à une électrode d'entrée (la base sur un transistor bipolaire et la grille pour un transistor à effet de champ).

Il existe plusieurs types de transistors, chacun voué à une tâche qui se résume souvent à deux fonctions : la commutation ou l'amplification.

                                


il est  utilisé :

• comme interrupteur dans les circuits logiques ;
• comme amplificateur de signal ;
• pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres  utilisations.

   Description schématique:

Les trois connexions sont appelées :

transistors bipolaires	symbole	transistors à effet de champ	symbole
le collecteur	C	le drain	D
la base	B	la grille	G
l’émetteur	E	la source	S

Dans les deux types de transistors bipolaires, l'électrode traversée par l'ensemble du courant s'appelle l'émetteur. Le courant dans l'émetteur est égal à la somme des courants du collecteur et de la base.

                                                                                 

La flèche identifie l’émetteur et suit le sens du courant; elle pointe vers l'extérieur dans le cas d’un NPN, vers l'intérieur dans le cas d'un PNP. L’électrode reliée au milieu de la barre centrale figure la base et la troisième électrode figure le collecteur.

Dans le cas de l’effet de champ, la flèche disparaît, car le dispositif est symétrique (drain et source sont échangeables). Les traits obliques sont habituellement remplacés par des traits droits.

                                               

Pour le transistor MOS, la grille se détache des autres électrodes, pour indiquer l’isolation due à la présence de l’oxyde.

En réalité, il existe une quatrième connexion pour les transistors à effet de champ, le substrat (parfois appelé bulk), qui est habituellement relié à la source.

              Constitution:

Les substrats utilisés vont du germanium , en passant par le silicium, l’arséniure de gallium, le silicium-germanium et plus récemment le carbure de silicium, le nitrure de gallium, l'antimoniure d'indium.

Pour la grande majorité des applications, on utilise le silicium alors que les matériaux plus exotiques tels que l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium sont plutôt utilisés pour réaliser les transistors hyperfréquence et micro-onde.

   

Un transistor bipolaire se compose de deux parties de substrat semi-conducteur dopées identiquement (P ou N) séparées par une mince tranche de semi-conducteur dopée inversement ; on a ainsi deux types : N-P-N et P-N-P.

                                  


Le transistor à effet de champ classiquement se compose d’un barreau de semi-conducteur dopé N(ou P), et entouré en son milieu d’un anneau de semi-conducteur dopé inversement P(ou N). On parle de FET à canal N ou P suivant le dopage du barreau.



Le transistor MOS se compose d’un barreau de semi-conducteur P ou N sur lequel on fait croître par épitaxie une mince couche d’isolant , laquelle est surmontée d’une électrode métallique.

                     Types:

Il existe différents types de transistors : bipolaires, unipolaires (FET, JFET, JUGFET, IGFET), unijonction UJT. Tous ont des caractéristiques qui leur sont propres, et sont capables de travailler sur des plages de puissances très variées (de quelques milli-watts à plusieurs centaines de watts), et sur des plages de fréquences elles aussi très variées (de quelques hertz à plusieurs giga-hertz), selon le modèle.





La caractéristique principale d'un transistor est de permettre la variation (on dit aussi modulation) d'un courant entre deux électrodes, quand une tension ou courant est appliqué sur une ou plusieurs autres électrodes. Les transistors ont remplacé les tubes électroniques, sauf dans certaines applications où le tube n'a pas encore trouvé de remplaçant . 
Lorsque l'on conçoit un montage électronique, on se doit de choisir le transistor qui convient le mieux à l'application envisagée, en s'aidant des caractéristiques fournies par les constructeurs dans leurs documents techniques . 

           Transistor bipolaire :

Il s'agit très certainement du type de transistor le plus employé, aussi bien dans le domaine des basses fréquences que des hautes fréquences, des faibles puissances que des hautes puissances. On l'appelle d'ailleurs tout simplement "Transistor". Il en existe des dizaines de milliers de références, de type NPN ou PNP, mais il est tout de même possible de les classer par ordre de puissance, de fréquence, de gain. Ce qui avouons-le, permet de choisir plus facilement un remplaçant le jour où on ne trouve plus l'original... Un transistor bipolaire possède trois électrodes nommées E (émetteur), C (collecteur) et B (base).. Le transistor bipolaire peut être utilisé en base commune, en émetteur commun ou en collecteur commun, mais c'est en montage émetteur commun qu'on le retrouve le plus souvent utilisé  (l'émetteur est commun à l'entrée et à la sortie).

Exemples : 2N2222, 2N2907, BC107, BC557, etc...

          Transistor à effet de champ (FET):

FET(eng) = Field Effect Transistor, Transistor à effet de champ.
Le transistor à effet de champ est un transistor unipolaire, et est particulièrement employé quand il est nécessaire d'avoir une très haute impédance d'entrée. Contrairement à l'impédance d'entrée d'un transistor bipolaire, qui varie selon son mode de branchement mais qui reste tout de même assez faible dans tous les cas, le FET présente une résistance d'entrée de plusieurs MégaOhms à plusieurs dizaines de MégaOhms . Cette caractéristique principale le destine tout particulièrement aux étages d'entrée BF(basse fréquence) ou au étages d'entrée d'appareils de mesure (voltmètre ou fréquencemètre par exemple), où son influence sur le signal "prélevé" pourra être insignifiante. Le transistor FET peut également être utilisé en résistance variable : usage dans des VCA ou dans des régulateurs de niveau (compresseur ou limiteur de modulation). Un transistor FET possède trois électrodes nommées D (drain), S (source) et G (gate ).
Exemples : 2N3819, 2N5457, J101, etc

           Transistors MOSFET:

Il existe des transistors MOSFET de petite puissance et de forte puissance. Ceux de forte puissance sont capables de supporter des courants de plusieurs ampères à plusieurs centaines d'ampères, ce qui bien entendu impose une résistance ohmique à l'état passant  très faible. On ne peut en effet envisager d'utiliser un transistor dont la résistance est de      1 ohm pour faire passer 50 ampères. C'est pourquoi il n'est pas rare de trouver des transistors de cette catégorie qui affichent une résistance passante de quelques milli-ohms ou quelques dizaines de milli-ohms.  par comparaison aux transistors bipolaires, on arrive à commuter des puissances importantes avec moins de pertes et moins d'échauffement. Ce type de transistor est souvent préféré pour la commande de charges importantes ou pour limiter la taille - ou même supprimer complètement - les encombrants dissipateurs thermiques.
Exemples en faible puissance : BS170.
Exemples en forte puissance : BUZ10, BUZ20, IRF540, IRF840 (8 A / 0,85 ohm), IRFZ44 (49 A / 0,022 ohms), IRF3205 (110 A / 0,008 ohms).

      Transistors haute tension:

La majorité des transistors classiques  acceptent de travailler sans dommage avec des tensions de quelques dizaines de volts. Quand on veut travailler avec des tensions supérieures à 80 V, il faut commencer à regarder de près le type de transistor qui convient le mieux à l'application envisagée. Pour des tensions de plusieurs centaines de volts, il faut employer des transistors vraiment faits pour.
Exemples : BU508 (bipolaire classique de la déviation horizontale dans les téléviseurs cathodiques), IRGS14 (transistor IGBT / 400 V).

          Transistors IGBT:

IGBT(eng)= Insulated Gate Bipolar Transistor = Transistor bipolaire à grille isolée.
Un transistor IGBT est un transistor de forte puissance, on ne le choisit pas pour allumer une LED ou commander un petit relais. Côté "conduction" il se comporte comme un transistor bipolaire classique avec deux jonctions B (base) et E (émetteur), et côté "commande" il se comporte comme un transistor à effet de champ (MOSFET pour être plus précis), avec une grille de commande (G, Gate). Comme ce composants est structuré sur deux principes différents, il est considéré comme hybride. Comme la commande se fait sur grille, le courant de commande est négligeable et la commande se fait donc en tension. La tension max entre collecteur et émetteur peut atteindre plusieurs milliers de volts, le courant max peut atteindre plusieurs centaines d'ampères (selon modèle ) et la fréquence de commutation peut grimper à quelques kHz. La tension de saturation (Vcesat) dépend beaucoup des modèles, comme c'est le cas aussi avec les transistors MOSFET. Elle peut être inférieure à 2 V comme elle peut être supérieure à 5 V, et dépend toujours de la valeur du courant collecteur (comme pour les autres types de transistors). Du fait de ces caractéristiques particulières, un transistor IGBT se prête à un usage direct sur le secteur 230 V ou plus, et peuvent être utilisés par exemple dans des onduleurs ou des hacheurs. Le transistor IGBT est plus souvent utilisé en tout ou rien (commutation) mais on peut aussi l'utiliser dans le domaine de l'amplification linéaire en basse fréquence.
Exemple : GT40WR21 (1800 V / 40 A / 375 W).

        Transistors RF:

Il s'agit de transistors spécialement conçus pour des applications "rapides". Les capacités parasites entre les jonctions d'un transistor limitent la fréquence de fonctionnement d'un transistor, et si ces capacités parasites sont élevées, le transistor ne peut pas fonctionner rapidement. On ne se pose pas trop la question quand on veut utiliser un transistor en commutation lente, par exemple pour piloter un relais. Mais quand on veut qu'il suive la cadence, il faut bien regarder tout ça de près. 
Notez que même pour une commutation lente, la vitesse de passage de l'état bloqué à l'état passant est importante, surtout si les courants à commuter sont importants. Plus le transistor commute vite, et moins on perd de puissance.

         Transistor Unijonction (UJT et PUT):

UJT(eng)= UniJonction Transistor, Transistor unijonction.
PUT(eng) = Programmable Unijonction Transistor, Transistor unijonction programmable.
Appelé aussi "Diode à double base", le transistor unijonction est un transistor bipolaire un peu particulier, qui possède trois connexions mais une seule jonction (d'où son nom). Ses trois électrodes sont nomées E (émetteur), B1 (base 1) et B2 (base 2). 
L'UJT est principalement utilisé pour la réalisation d'oscillateurs (à relaxation, pour être précis) car il possède la particularité d'offrir une résistance négative dans une partie de sa courbe de caractéristiques.
Exemples : 2N2646, ...


             Brochage :

La majorité des transistors - qu'ils soient bipolaires ou à effet de champs - possèdent trois pattes, avec parfois une quatrième patte raccordée au boîtier (ce dernier étant  métallique). La correspondance entre schéma électronique et brochage physique n'est pas toujours la même selon le type de transistor employé. Prenons l'exemple du transistor très répandu portant la référence 2N2222 et qui est un transistor NPN présenté dans un boîtier métallique. On trouve pour ce dernier un équivalent appelé PN2222 qui est en boîtier plastique TO92. Pour connaître le brochage de ce dernier il convient de se référer aux indications fournies par le fabricant dans ses documents techniques .

Un transistor de type BC237, également NPN et également en boîtier plastique TO92, présente un brochage inversé par rapport à celui du PN2222 (les connexions E et C sont interverties). Trois pattes suffisent pour disposer d'un nombre suffisant de configurations de câblage dangereuses et brancher un transistor de façon incorrecte et le griller. Il faut donc bien faire attention et toujours vérifier leur câblage avant mise sous tension. Pour faciliter la chose, certains boîtiers intègrent deux transistors, portant le nombre de pattes à 6. Mais cela n'est finalement pas plus compliqué, dans tous les cas il faut se référer au document constructeur correspondant à la marque et au modèle de composant que vous avez.

  

Il existe plusieurs types de brochages, et un composant de même référence peut même parfois exister avec différents brochages (ce genre de cas n'est heureusement pas majoritaire) ! Vous devez donc impérativement vous renseigner pour savoir comment se branche tel ou tel transistor.

               Principe de fonctionnement:


Les transistors MOS et bipolaires fonctionnent de façons très différentes :

Le transistor bipolaire est un amplificateur de courant, on injecte un courant dans l’espace base/émetteur afin de créer un courant multiplié par le gain du transistor entre l’émetteur et le collecteur.
Les transistors bipolaires NPN (négatif-positif-négatif) qui laissent circuler un courant de la base (+) vers l’émetteur (–), sont plus rapides et ont une meilleure tenue en tension que les transistors PNP base (–) émetteur (+), mais peuvent être produits avec des caractéristiques complémentaires par les fabricants pour les applications le nécessitant.
                           

Le transistor à effet de champ. Son organe de commande est la grille (gate en anglais). Celle-ci n’a besoin que d’une tension (ou un potentiel) entre la grille et la source pour contrôler le courant entre la source et le drain. Le courant de grille est nul (ou négligeable) en régime statique, puisque la grille se comporte vis-à-vis du circuit de commande comme un condensateur de faible capacité.

              Emplois  et applications :

Les deux principaux types de transistors permettent de répondre aux besoins de l'électronique:

• analogique.
• numérique.

Et à ceux de l'électronique de puissance et haute tension.

La technologie bipolaire est plutôt utilisée en analogique et en électronique de puissance.
Les technologies FET et CMOS sont principalement utilisées en électronique numérique . Ils peuvent être utilisés pour faire des blocs analogiques dans des circuits numériques ( par exemple :régulateur de tension). Ils sont aussi utilisés pour faire des commandes de puissance (moteurs) et pour l'électronique haute tension (automobile). 
Ils offrent une meilleure linéarité dans le cadre d'amplificateurs Hi-Fi, donc moins de distorsion.

Un mélange des deux technologies est utilisé dans les IGBT.

  

Sauf dans le domaine des fortes puissances, il est devenu rare de n’avoir qu’un seul transistor dans un boîtier .

Les circuits intégrés ont permis d’en interconnecter d’abord des milliers, puis des millions. L'intégration de plus d'un milliard de transistors sur un seul composant a été atteinte en juin 2008 par Nvidia avec la GT200. La puce, utilisée comme processeur graphique (GPU) atteint 1,4 milliard de composants électriques gravés en 65 nanomètres, sur une surface d'environ 600 mm².


Ces circuits intégrés servent à réaliser des microprocesseurs, des mémoires et d'autres .