transistor

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Présentation

transistor, dispositif électronique pouvant remplir les fonctions d'un amplificateur, d'un commutateur ou d'un oscillateur, dans les télécommunications, le contrôle et les systèmes informatiques (voir Ordinateur ; Électronique). Jusqu'à la mise au point du transistor en 1948, les développements dans le domaine de l'électronique dépendaient de l'utilisation des tubes à vide thermoïoniques, des amplificateurs magnétiques, des équipements tournants spécialisés et des condensateurs spéciaux utilisés comme amplificateurs.

Capable d'effectuer les différentes tâches du tube à vide dans les circuits électroniques, le transistor est une unité solide, composée de minuscules éléments semi-conducteurs, généralement du germanium ou du silicium, sur lesquels sont effectuées au moins trois connexions électriques. Les composants de base du transistor sont comparables à ceux d'une triode.

Le transistor fut mis au point dans les Bell Laboratories, par les physiciens américains Walter Brattain, John Bardeen et William Shockley qui reçurent ainsi le prix Nobel de physique en 1956.

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Structure des semi-conducteurs

Les propriétés électriques d'un semi-conducteur sont déterminées par sa structure atomique. Dans un cristal de germanium ou de silicium pur, les atomes sont disposés de façon régulière, formant une « grille en diamants ». Chaque atome du cristal dispose de quatre électrons périphériques, chacun interagissant avec l'un des électrons de l'atome voisin pour former une liaison. Ainsi, les électrons ne sont pas libres ; à basse température, le matériau cristallin pur se comporte comme un isolant.

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Rôle des impuretés

Les cristaux de germanium et de silicium qui contiennent de petites quantités de certaines impuretés peuvent cependant conduire l'électricité, même à basse température. Ces impuretés apportent soit un excès d'électrons, soit un défaut.

Ainsi, les éléments impurs, tels que le phosphore, l'antimoine ou l'arsenic, qui donnent les électrons, constituent des impuretés de type donneur. Ces éléments ont en effet cinq électrons périphériques. Dans le cristal semi-conducteur, quatre d'entre eux interagissent avec les électrons périphériques des atomes de germanium ou de silicium. Le cinquième électron reste libre. Par conséquent, lorsqu'un champ électronique est appliqué, les électrons restants des impuretés de type donneur peuvent se déplacer librement dans le réseau cristallin.

Les éléments impurs, tels que le gallium et l'indium, ne disposent que de trois électrons périphériques. Il leur en manque donc un pour compléter les liaisons interatomiques dans le cristal. Ces impuretés sont appelées impuretés de type accepteur : elles ont tendance à accepter des électrons d'atomes voisins pour combler le défaut d'électrons dans leur structure de liaisons périphériques. Les lacunes électroniques, qui apparaissent alors dans la structure des atomes voisins, sont à leur tour complétées par d'autres éléments. Ces lacunes se comportent donc comme des charges positives, qui se déplacent lorsque l'on applique une tension.

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Semi-conducteurs de types N et P

Un cristal de germanium ou de silicium contenant des impuretés de type donneur est appelé semi-conducteur négatif, ou semi-conducteur de type N. La présence d'impuretés de type accepteur produit un semi-conducteur positif de type P.

Pour obtenir un cristal contenant des zones de type N et de type P, on introduit dans un creuset contenant du germanium ou du silicium en fusion les impuretés de types donneur et accepteur, à différentes étapes de la formation du cristal. Le cristal obtenu dispose de deux zones distinctes, reliées par la jonction N-P. Cette jonction peut également être réalisée en plaçant un morceau d'impureté de type donneur contre la surface d'un cristal de type P, ou un morceau d'impureté de type accepteur contre un cristal de type N. La chaleur permet alors de répartir les atomes d'impuretés dans la couche externe du cristal.

Lorsqu'une tension externe est appliquée, la jonction N-P ne laisse passer le courant que dans un seul sens (voir Redressement). Si la zone de type P est connectée à la borne positive d'une batterie et que celle de type N est reliée à la borne négative, un courant important passe dans le matériau via la jonction. Si la batterie est connectée dans le sens opposé, le courant ne passe pas.