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Conseils

Si vous souhaitez contrôler ou commuter les tensions et les courants, nous disposons de transistors bipolaires en commutation nécessaire à la réalisation de vos projets. Étant un des composants actifs discrets les plus utilisés dans les conceptions et circuits électroniques, ils vous seront utiles pour tous types de signaux électriques. Les transistors ont révolutionné l’électronique en tant que composants de base des circuits intégrés, remplaçant les solutions plus énergivores et peu encombrantes. La majorité des produits de notre gamme de transistors bipolaires ont été choisis pour répondre à toutes les exigences les plus rigoureuses.

Transistors : Contrôle, amplification, génération de signaux électriques

Les transistors font sans aucun doute partie des composants électroniques les plus importants. Ils servent d'interrupteurs ainsi que d'amplificateurs, de contrôleurs et de générateurs de signaux électriques. Ils sont disponibles individuellement ou par milliards sur une puce de la taille d'un timbre-poste. Dans ce guide, vous apprendrez dans les grandes lignes comment ces composants actifs sont conçus, comment ils fonctionnent et quels types dominent le marché.

Structure et fonction des transistors
Les principaux types de transistors
Types et formes de transistors
FAQ –Questions fréquentes

Structure et fonction des transistors

Un transistor se compose généralement de trois matériaux semi-conducteurs électriques distincts : l'émetteur, le collecteur et la base. Un signal électrique appliqué à la base influence sa capacité à conduire le courant électrique, qui circule entre l'émetteur et le collecteur dans la plupart des applications. Une source de tension entraîne le courant, tandis que le taux de passage du courant dans le composant à un moment donné est régulé par un signal d'entrée à la base - comparable à un robinet pour réguler le débit d'eau.

Le fonctionnement dépend fortement du comportement des électrons et des trous à l'interface entre une couche chargée positivement et une couche chargée négativement, appelée jonction pn. Cette transition a été découverte en 1940 par l'électrochimiste Russell Ohl des Bell Labs. Elle résulte de l'ajout d'impuretés dans les éléments semi-conducteurs que sont le germanium ou le silicium.

L'ajout de ces impuretés est appelé dopage et fonctionne ainsi :

Les atomes d'éléments du groupe 15 du tableau périodique, comme le phosphore ou l'arsenic, libèrent des électrons qui n'ont pas de place naturelle dans le réseau cristallin du semi-conducteur. Les électrons excédentaires sont donc liés de manière lâche et peuvent se déplacer relativement librement pour conduire le courant électrique en tant que porteurs de charge. En revanche, les atomes d'éléments du groupe 13 comme le bore ou l'aluminium provoquent un déficit d'électrons lorsqu'ils sont ajoutés en tant qu'impuretés. Au sens figuré, cela crée des trous dans la grille. Ces unités quantiques chargées positivement peuvent également se déplacer assez librement et conduire le courant.

Sous l'influence d'un champ électrique, les électrons et les trous se déplacent dans des directions opposées. Si aucune tension n'est appliquée à la jonction, les électrons et les trous s'accumulent sur les côtés opposés de l'interface et forment une couche de déplétion qui agit comme un isolant entre les deux côtés. Une tension négative appliquée à la couche n pousse ses électrons excédentaires vers l'interface, où ils se combinent avec les trous chargés positivement. Résultat : le courant circule. Si, au contraire, une des couches n est alimentée positivement, le champ électrique qui en résulte éloigne les électrons de l'interface. Dans ce cas, à part de minuscules courants de fuite, aucun courant ne circule. Le courant ne se déplace donc que dans une seule direction lors d'une jonction pn, ce qui signifie qu'une jonction pn agit comme un redresseur.

Les principaux types de transistors

Il existe deux groupes importants, à savoir les transistors bipolaires et les transistors à effet de champ unipolaires, en abrégé FET. Ils se distinguent non seulement par leur mode de commande, mais aussi par la désignation de leurs connexions. Les transistors bipolaires ont une base, un collecteur et un émetteur, tandis que les FET utilisent une grille, un drain et une source.

Un transistor bipolaire - souvent abrégé en BJT pour bipolar junction transistor - est un type de transistor qui utilise à la fois des électrons et des trous d'électrons comme porteurs de charge. En revanche, un type unipolaire, comme le transistor à effet de champ, n'utilise qu'un seul type de porteur de charge. Un type bipolaire est capable de contrôler, avec un petit courant, un courant beaucoup plus important qui circule entre deux autres bornes. Un BJT peut donc être utilisé comme amplificateur ou comme commutateur.

Les BJT utilisent deux jonctions entre deux types de semi-conducteurs, n ou p, qui se trouvent dans un monocristal. Les jonctions peuvent être créées de différentes manières, par exemple en modifiant le dopage du matériau semi-conducteur pendant la fabrication, en déposant des billes de métal pour former des jonctions d'alliage ou en utilisant des méthodes telles que la diffusion de dopants n et p dans le cristal.

Le transistor NPN est composé de deux couches de type n. Entre les deux se trouve une fine couche de conductivité p. Pour le transistor PNP, c'est exactement l'inverse : il se compose de deux couches de conductivité p avec une fine couche de conductivité n. Le type de transistor est facilement reconnaissable dans le schéma électrique : Dans le cas du transistor NPN, la flèche du trajet base-émetteur s'éloigne de la base, alors que dans le cas du transistor PNP, elle se dirige vers la base.

Les circuits intégrés à transistors bipolaires ont été les principaux composants actifs d'une génération de mainframes et de mini-ordinateurs, mais la plupart des systèmes informatiques utilisent aujourd'hui des circuits intégrés basés sur des transistors à effet de champ. Les transistors bipolaires sont néanmoins toujours utilisés pour amplifier des signaux, comme commutateurs et dans les circuits numériques.
Ce type de circuit est composé de deux BJT, l'émetteur d'un transistor étant relié à la base de l'autre. Effet : le courant amplifié par le premier BJT est encore amplifié par le deuxième BJT. Les collecteurs des deux BJT sont reliés entre eux. Cette configuration possède une amplification de courant bien plus élevée que chaque BJT pris séparément. Le circuit Darlington se comporte alors comme un transistor unique et est souvent emballé comme tel. Il a été inventé en 1953 par Sidney Darlington.
Le transistor à effet de champ, en abrégé FET, utilise un champ électrique pour contrôler le flux de courant dans un semi-conducteur. Les FET contrôlent le flux de courant en appliquant une tension à la grille, qui modifie à son tour la conductivité entre le drain et la source.

Les FET sont également appelés transistors unipolaires, car ils fonctionnent en mode à une seule porteuse. Cela signifie que les FET utilisent soit des électrons, soit des trous comme porteurs de charge, mais pas les deux. Il existe de nombreux types de transistors à effet de champ. Ils présentent généralement une impédance d'entrée très élevée à basses fréquences. Le transistor à effet de champ le plus couramment utilisé est le MOSFET, le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur.
Le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur ou MOSFET est un transistor à effet de champ à grille isolée fabriqué par l'oxydation contrôlée d'un semi-conducteur, généralement du silicium. La tension de la grille recouverte détermine la conductivité électrique du composant. Cette capacité à faire varier la conductivité avec le niveau de tension appliqué peut être utilisée pour amplifier ou commuter des signaux électroniques.

Le MOSFET est l'élément de base de l'électronique moderne et le composant le plus fréquemment fabriqué dans l'histoire. Son principal avantage : comparé aux BJT bipolaires, il ne nécessite presque pas de courant d'entrée pour contrôler le courant de charge. Dans le cas d'un MOSFET en mode d'enrichissement, une tension appliquée à la borne de la grille peut augmenter la conductivité. En revanche, dans le cas d'un MOSFET à appauvrissement, la tension peut être réduite.

Par rapport aux BJT, les MOSFET sont hautement évolutifs avec une miniaturisation croissante et possèdent une vitesse de commutation plus rapide, une taille beaucoup plus petite, consomment beaucoup moins de courant et permettent une densité beaucoup plus élevée. Comme ces transistors peuvent être fabriqués soit avec des semi-conducteurs de type p, soit avec des semi-conducteurs de type n, il est possible de créer des paires complémentaires pour fabriquer des circuits à très faible consommation de courant, appelés dispositifs CMOS.

Le terme "métal-oxyde-semiconducteur" (MOS) fait généralement référence à une grille métallique, une isolation en oxyde et un semi-conducteur, généralement du silicium. Cependant, le terme "métal" dans la désignation MOSFET n'est parfois pas approprié, car le matériau de la grille peut également être une couche de polysilicium. Outre l'oxyde, différents matériaux diélectriques peuvent être utilisés pour obtenir des canaux amplificateurs avec des tensions appliquées plus faibles.
Contrairement aux BJT, les transistors à effet de champ à jonction ou JFET sont exclusivement commandés en tension, ce qui signifie qu'ils ne nécessitent pas de courant de polarisation. La charge électrique circule dans un canal semi-conducteur entre la borne de source et la borne de drain. En appliquant une tension de polarisation inverse à une connexion de grille, le canal est en quelque sorte déconnecté : le courant électrique est entravé ou complètement coupé. En règle générale, un JFET est allumé lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre les connexions de la grille et de la source. Si une différence de potentiel avec la bonne polarité est appliquée entre les bornes de la grille et de la source, le JFET est plus résistant au passage du courant. Il y a donc moins de courant qui circule dans le canal entre les bornes de source et de drain.

Les JFETs peuvent être équipés d'un canal de type n ou d'un canal de type p. Ils possèdent en outre une grande impédance d'entrée, ce qui rend négligeable l'effet sur les composants externes ou sur les circuits reliés à la grille.

Types et formes de transistors

Les transistors sont disponibles dans de nombreux boîtiers semi-conducteurs différents. Les deux principales catégories sont les transistors à trous métallisés ou câblés et les transistors CMS pour le montage en surface. Les boîtiers sont en verre, en métal, en céramique ou en plastique. Les transistors de puissance ont généralement des boîtiers plus grands qui peuvent être fixés à des radiateurs pour un meilleur refroidissement. En outre, dans la plupart des transistors de puissance, le collecteur ou le drain est physiquement relié au boîtier métallique. En revanche, certains transistors CMS à micro-ondes sont aussi petits que des grains de sable.

Souvent, un certain type de transistor est disponible dans plusieurs boîtiers. Les boîtiers de transistors sont pour la plupart normalisés, mais la correspondance entre les fonctions d'un transistor et ses connexions ne l'est pas - même pour un même type de transistor, l'affectation des connexions peut varier.

Les réseaux de transistors sont une forme de construction particulière. Ils se composent de deux ou plusieurs transistors sur un substrat commun. Contrairement aux circuits intégrés supérieurs, ils peuvent être utilisés individuellement comme des composants discrets. Cela signifie qu'ils ne sont pas reliés entre eux pour réaliser une fonction spécifique.

Les réseaux peuvent être constitués de transistors bipolaires ou de transistors à effet de champ. Les principaux avantages sont le gain de place sur le circuit imprimé et la garantie d'une étroite coordination des paramètres entre les composants. La réduction de la surface du circuit imprimé est particulièrement importante pour les circuits numériques dans lesquels plusieurs transistors de commutation sont réunis dans un même boîtier.

FAQ – Questions fréquentes

A quoi faut-il faire attention lors de l'utilisation de tableaux ?

Une particularité est que le substrat est souvent présent sous forme de connexion séparée, désignée par substrat, masse ou terre. Il convient d'être prudent, surtout lors de la connexion du substrat, afin de maintenir l'isolation entre les composants du réseau, car une isolation de transition pn est généralement utilisée. Par exemple, dans un réseau de types NPN, le substrat doit être connecté à la tension la plus négative du circuit.

A quoi faut-il faire attention lors du soudage ?

La plupart des semi-conducteurs, y compris les transistors, sont conçus pour résister à une température allant jusqu'à 200 degrés Celsius pendant 10 secondes maximum. De nombreux experts utilisent toutefois des fers à souder dont les pointes sont nettement plus chaudes, mais qui terminent rapidement le processus de soudage. Pour les transistors câblés, une astuce s'est établie depuis longtemps pour éviter la surchauffe : Le maintien des fils de connexion pendant le processus de soudage à l'aide d'une pince plate. Celle-ci dissipe de manière fiable la chaleur de la panne à souder avant qu'elle n'atteigne le boîtier du transistor.

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