Transistor

Un transistor es un compausant electronic actiu compausat de semiconductors. Permet de contrarotlar ò d'amplificar de tensions ò de corrents electrics. Imaginat durant l'entre doas guèrras, foguèt desvolopat après la Segonda Guèrra Mondiala e plusors familhas diferentas de transistors existisson. Es lo compausant actiu pus important dei circuits electronics modèrnes, en particular dins lei circuits integrats que son la basa de la microelectronica actuala. La màger part dei transistors actuaus son fabricats a partir d'un silici fòrça pur, mai d'autrei materiaus semiconductors a basa de germani, de galli ò d'indi son utilizables per d'aplicacions precisas. Aquò a menat a la creacion d'un important sector industriau, principalament basat en Extrèm Orient, per respòndre a la demanda mondiala de transistors.

Lo tèrme « transistor » provèn de l'anglés transfer resistor (« resisténcia de transferiment ») que foguèt seleccionat per un comitat de 26 personas dei laboratòris Bell lo 28 de mai de 1948. Per de rasons comercialas, un nom cort evocant la tecnologia dei tubes electronics èra cercat. Per metonimia, lo tèrme designèt tanben lei receptors radiò equipats de transistors.

Inventat au començament dau sègle XX per lo Britanic John Ambrose Fleming (1849-1945) e per l'Estatsunidenc Lee De Forest (1873-1961)^[1], lo tube electronic foguèt lo premier dispositiu electronic amplificator utilizable per la produccion en massa dei premiereis aparelhs electronics (receptors radiò, television, radars, etc.)^[2]. Demorèt lòngtemps l'unic sistèma capable d'assegurar aqueu tipe d'operacion car lei premiers transistors avián un còst proïbitiu ò èran solament impossibles de fabricar. Per exemple, foguèt lo cas dau transistor d'efiech de camp brevetat mai d'un còp en Canadà e ais Estats Units entre 1925 e 1928 per lo fisician Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963)^[3][4]. Lo tèxte acompanhant sa revendicacion descriu pas de prototipe foncionau car l'industria deis ans 1920-1930 èra pas en mesura de produrre lei semiconductors requists. En Euròpa, una demanda similara foguèt realizada en 1934 per l'engenhaire alemand Oskar Heil (1908-1994) que se turtèt au meteis problema de la factibilitat tecnica^[3].

Lei premiers transistors operacionaus foguèron concebuts per doas còlas independentas après la Segonda Guèrra Mondiala. La premiera èra compausada de John Bardeen (1908-1991), de Walter Brattain (1902-1987) e de William Shockley (1910-1989)^[5][6]. Trabalhant dins lei laboratòris Bell, Bardeen e Brattain observèron lei proprietats dau dispositiu fach de doas partidas d'aur plaçadas en contacte amb un cristau de germani. Quand lo contacte èra establit entre lei tres elements, un senhau superior au senhau d'intrada èra produch a la sortida dau sistèma. Shockley, lo cap dau departament de Fisica de l'Estat Solid comprenguèt rapidament l'interès d'aquela descubèrta e realizèt plusors descubèrtas suplementàrias sus lo comportament electric dei semiconductors durant lei mes seguents. Aquò menèt a la fabricacion dau premier transistor d'efiech de camp. Pasmens, aqueu dispositiu èra tròp similar ai brevets de Lilienfeld. De mai, èra encara tròp complèxe e son foncionament èra mau-segur^[7]. Ansin, lei tres òmes privilegièron donc lo depaus d'un premier brevet relatiu a un transistor de contacte en 1947.

La segonda còla que descurbiguèt lo transistor de contacte èra principalament compausada dei fisicians alemands Herbert Mataré (1912-2001) e Heinrich Welker (1912-1981). Durant la guèrra, Mataré aviá estudiat lei cristaus de silici e de germani dins l'encastre dei recèrcas menadas per lo III^en Reich sus lei radars. En 1947, lei dos òmes trabalhavan per una filiala de Westinghouse basada a París. A partir de l'observacion d'un fenomèn d'interferéncia, fabriquèron un dispositiu a basa de germani qu'èra relativament similar a l'invencion de Bardeen, de Brattain e de Shockley. Aguent descubèrt lei trabalhs d'aqueu grop, Westinghouse se preissèt de depausar un brevet en aost de 1948 en França per iniciar la produccion industriala de son transistron^[8]. Utilizat per complir d'operacions d'amplificacion dins la ret telefonica francesa, foguèt lo premier transistor comercializat dins lo monde.

Lo premier transistor bipolar vertadier foguèt inventat per William Shockley que demandèt un brevet per aqueu tipe de transistor lo 26 de junh de 1948. Aquò entraïnèt de recèrcas suplementàrias au sen dei laboratòris Bell. Lo 12 d'abriu de 1950, Gordon Teal (1907-2003) e Morgan Sparks (1916-2008) concebèron lo premier transistor bipolar basat sus una joncion NPN permetent d'amplificar un transistor de germani^[2]. En 1953, la companhiá Philco desvolopèt lo premier transistor iperfrequéncia, totjorn a basa de germani^[9]. Per aquò, de depressions de quauquei microns èran estadas cavadas sus un supòrt de germani. Puei, gràcias a un procès electroquimic, de jaç de sulfat d'indi foguèron placats dessüs per tenir lo ròtle de collector e d'emetor^[10][11].

Lei transistors bipolars de germani dominèron largament l'industria dau transistor durant leis ans 1950-1960^[2]. Per exemple, equipèron la màger part deis ordinators, comprés lei calculators d'IBM. Pasmens, a partir deis ans 1960, foguèron remplaçats per lei transistors de silici. Amb lo desvolopament de l'electronica durant la segonda mitat dau sègle XX, la produccion aumentèt fòrça, mai dins leis ans 1970, lei transistors MOSFET remplacèron la màger part dei transistors bipolars utilizats coma comutator^[2].

L'idèa dau transistor d'efiech de camp (FET) èra ja estada prepausada per Lilienfeld a la fin deis ans 1920. Dins leis ans 1950, lei progrès en matèria de fabricacion de materiaus semiconductors permetèron de fabricar lei premiers modèls operacionaus. De mai, lei còlas dei laboratòris Bell trabalhèron per melhorar lei teorias de l'entre doas guèrras. Lo premier FET vertadier foguèt probablament aqueu de George C. Dacey (1921-2010) e de Ian M. Ross (1927-2013) en 1953^[12]. Pasmens, pendent leis ans 1950-1960, lei transistors bipolars èran preferits car lor industrializacion èra pus aisada. De mai, de fenomèns quantics a la superficia dei transistors de silici limitavan sei performàncias.

En 1955, Carl Frosch (1908-1984) e Lincoln Derick descurbiguèron per azard lei proprietats de passivacion d'un jaç de dioxid de silici^[13]. Aquò li permetèron de fabricar un premier transistor d'efiech de camp operacionau en 1957^[14]. Aquò suscitèt un interès novèu per leis oxids de silici^[15][16][17]. En 1959, aquelei recèrcas sus la passivacion dau jaç extèrne d'un materiau per tractament termic permetèron a l'Egipcian Mohamed M. Atalla (1924-2009) de concebre lo premier transistor d'efiech de camp amb una grilha metau-oxid (MOSFET^[18])^[19]. Foguèt ansin concebut en 1960 lo premier MOSFET utilizat dins un circuit integrat en 1963. En parallèl, foguèt desvolopada la tecnica de fabricacion CMOS^[20] que permetèt de simplificar la produccion de transistors MOSFET. Aquelei transistors prenguèron rapidament – e tènon encara – un ròtle centrau dins l'electronica actuala, especialament dins lei circuits integrats numerics. D'efiech, aquò permet de miniaturizar lei transistors e d'aumentar fòrça lor densitat sus un dispositiu, çò qu'es a l'origina de l'aumentacion regulara de la poissança dei processors informatics.

• 
  John Ambrose Fleming (1849-1945)
• 
  Lee De Forest (1873-1961)
• 
  Julius E. Lilienfeld (1882-1963)
• 
  John Bardeen (1908-1991)
• 
  Walter Brattain (1902-1987)
• 
  William Shockley (1910-1989)
• 
  Herbert Mataré (1912-2001)
• 
  Heinrich Welker (1912-1981)
• 
  Gordon Teal (1907-2003) e Morgan Sparks (1916-2008)
• 
  Mohamed M. Atalla (1924-2009)

Un transistor es un compausant electronic que tèn tres electròdes actius. Alimentat per un sinhau feble, es capable de contrarotlar una tension ò un corrent important. Aquò li permet de complir lei foncions d'amplificator ò d'interruptor^[21]. Dos tipes principaus de transistors existisson :

• lei transistors bipolars (BJT^[22]) que seis electròdes son dichs « basa », « collector » e « emetor ». S'un corrent feble es aplicat entre la basa e l'emettor, pòu contrarotlar ò commutar un corrent pus important entre lo collector e l'emetor^[23].
• lei transistors d'efiech de camp (FET^[24]) que seis electròdes son dichs « grilha », « dren » e « fònt ». S'una tension electrica es aplicada a la basa, es possible de contrarotlar un corrent electric entre la fònt e lo dren^[25].

Lo transistor bipolar es un amplificator de corrent. Quand un corrent es injectat entre la basa e l'emetor, aquò crèa un corrent multiplicat per lo gasanh dau transistor entre l'emetor e lo collector. Es un dispositiu electronic a basa de semiconductors que son foncionament es basat sus doas joncions P-N. N'i a dos tipes que son lei transistors NPN e lei transistors PNP que foncionan d'un biais similar, mai amb de corrents que circulan pas dins lo meteis sens. Pasmens, lei NPN son pus utilizats car an de caracteristicas pus interessantas.

Per descriure lo foncionament d'un transistor bipolar, se considèra generalament un transistor NPN amb de tensions V_BE e V_CE e un corrent intrant a la basa, I_B, positius. Dins aqueu tipe de transistor, l'emetor, liat a la premiera zòna dopada negativament, es polarizada a una tension inferiora a aquela de basa, liada a la zòna dopada positivament. Lo diòde emetor/basa se tròba donc polarizada en dirècte e un corrent, es a dire una injeccion d'electrons, circula de l'emetor vèrs la basa. En foncionament normau, la joncion basa-collector es polarizada en invèrs, çò que significa que lo potenciau dau collector es ben superior a aqueu de la basa. Leis electrons, que la màger part s'es difusada fins a la zòna de camp d'aquela joncion, son reculhits per lo contacte collector. Dins una situacion idala, lo corrent eissit de l'emetor se tròba dins lo collector. Aqueu corrent es una foncion exponenciala de la tension basa-emetor. Una pichona variacion de la tension entraïna ansin una variacion fòrça important dau corrent.

Lo corrent dei lacunas electronicas circulant de la basa vèrs l'emetor ajustat au corrent de recombinason deis electrons neutralizats dins un trauc de la basa correspònd au corrent de basa I_B. Es mai ò mens proporcionau au corrent dau collector I_C. Aquela relacion de proporcionalitat dona l'illusion que lo corrent de basa contraròtla lo corrent dau collector. Per un modèl de transistor donat, lei mecanismes de recombinasons son tecnologicament malaisats de mestrejar e lo gasanh I_C/I_B pòu solament èsser certificat superior a una certana valor (per exemple, 100 ò 1 000). Lei montatges electronics dèvon tenir còmpte d'aquela incertitud.

Quand la tension basa-collector es pron positiva, la màger part deis electrons es collectada e lo corrent dau collector despend pas d'aquela tension. Aquò correspònd a la « zòna lineara » dau transistor. Dins lo cas contrari, leis electrons estacionan dins la basa, se recombinan e lo gasanh demenís. Aquò es la « zòna de saturacion ». Pasmens, dos autrei mòdes mens frequents son possibles :

• lo mòde dubèrt quand la polarizacion dei doas joncions, considerats coma de diòdes, s'opausan au passatge d'un corrent electric.
• lo mòde actiu-inversat que càmbia lo collector e l'emetor. Pasmens, coma lei transistors bipolars son pas concebuts per aqueu mòde, son utilizacion es rara.

Un transistor d'efiech de camp es un dispositiu semiconductor que sa particularitat es d'utilizar un camp electric per contrarotlar la forma, e donc la conductivitat, d'un « canau » dins un materiau semiconductor. Son organ de comanda es la grilha que pòu contrarotlar lo corrent entre la fònt e lo dren quand una tension es aplicada entre la grilha e la fònt. Lo corrent de la grilha es nul (ò quasi nul) en regim estatic bòrd que la grilha fonciona coma un condensator de febla capacitat. Plusors tipes de transistors d'efiech de camp existisson coma lei transistors MOSFET d'enrichiment (lei pus utilizats), lei transistors MOSFET d'apauriment e lei transistors MOSFET de joncion. Dins cada familha, es possible d'utilizar siá un canau dopat negativament siá un canau dopat positivament.

Per lei transistors d'apauriment e de joncion, lo canau dren-fònt es conductor se lo potenciau de la grilha es nul. Per o blocar, fau rendre aqueu potenciau negatiu (per lei canaus dopats negativament) ò positiu (per lei canaus dopats positivament). Au contrari, lei transistors d'enrichiment son blocats quand la grilha a un potenciau nul. Quand la grilha d'un transistor dopats negativament es polarizada per una tension positiva ò quand aquela d'un transistor dopats positivament a una tension negativa, l'espaci fònt-dren dau transistor vèn passanta.

Totei lei transistors d'efiech de camp son caracterizats per una tension lindau que correspònd a la tension de grilha que permet de realizar la transicion entre lo comportament blocat dau transistor e son comportament conductor. Au contrari dei transistors bipolars, que lor tension lindau despend unicament dau semiconductor utilizat (silici, germani, As-Ga, etc.), la tension lindau dei transistors d'efiech de camp despend fòrça de la tecnologia e pòu variar d'un biais important au sen d'un meteis lòt :

• lo transistor d'efiech de camp d'apauriment amb un canau dopat negativament es lo semiconductor qu'a lei proprietats mai similaras ai tubes electronics ancians.
• a poissança egala, lei transistors dopats negativament son pus pichons que lei transistors dopats positivament.
• a geometria egala, lei transistors dopats negativament son tanben pus rapids que lei transistors dopats positivament car lei portaires de carga majoritaris dins un canau dopat negativament son leis electrons que se desplaçan pus eficaçament que lei lacunas electronicas.

D'autrei tipes de transistors existisson, mai correspòndon a de prototipes, a de dispositius amb d'aplicacions limitadas ò a de familhas desenant consideradas coma obsolètas. Per exemple, es lo cas dau transistor unijoncion qu'èra utilizat per la creacion d'oscillators de relaxacion durant leis ans 1960-1970^[27]. Lei transistors bipolars de grilha isolada (IGBT^[28]) e lei fototransistors son de cas particulars de transistors bipolars aguent de caracteristicas fòrça especificas. Lo premier a un comportament idrid entre un transistor bipolar classic e un transistor d'efiech de camp. Es unicament utilizat dins lo domeni de l'electronica de poissança. Lo fototransistor a una joncion basa-collector sensibla a la lutz. Aquò permet de crear un compausant electronic pus sensible a la lutz qu'un fotodiòde gràcias a l'efiech amplificator dau transistor. Enfin, se pòu nòtar l'optoisolator, un fototransistor montat amb un diòde electroluminescent dins una meteissa caisseta. Dins un tau dispositiu, la lutz dau fotodiòde permet d'alimentar lo fototransistor e de crear un dispositiu fòrça isolant (aperaquí 5 kV) que permet d'isolar galvanicament un circuit de comanda d'un circuit de poissança^[29].

Lei substrats pus utilizats per la fabricacion de transistorss son lo silici, l'arseniur de galli, lo silici-germani, lo carbur de silici, lo nitrur de galli e l'antimoniur d'indi^[30]. En despiech d'aquela diversitat, la màger part dei transistors actuaus son a basa de silici. Lei materiaus pus « exotics » son reservats a la fabricacion de transistors especiaus. Per exemple, lei transistors iperfrequéncias son sovent constituïts d'arseniur ò de nitrur de galli^[31][32].

Un transistor bipolar es compausat de doas partidas de substrat semiconductor dopadas identicament (P ò N) separadas per un jaç fin de semiconductor dopat invèrsament. Aquò permet de fabricar lei dos tipes de transistors bipolars (N-P-N e P-N-P). Un transistor d'efiech de camp de joncion classic es fach d'un barron de semiconductor dopat N (ò pus rarament P) enviroutat d'un anèu d'un semiconductor dopat invèrsament P (ò pus rarament N). Se parla de FET de canau N ò P segon lo dopatge dau barron. Lei transistors d'efiech de camp MOS son egalament constituïts d'un barron de semiconductor P ò N, mai aqueu materiau es cubèrt per epitaxia d'un jaç fin de materiau isolant (per exemple, de dioxid de silici) subremontat d'un electròde metallic^[33].

La produccion de transistors es un sector centrau de l'economia mondiala amb una chifra d'afaires estimada a 624 miliards de dolars en 2024. Podriá passar lei 1 000 miliards en 2030. Lei país productors de semiconductors dominan largament la produccion mondiala de transistors. Ansin, lei productors principaus se tròban en Extrèm Orient, mai que mai en Taiwan. D'efiech, l'illa produsiá 60 % dei transistors utilizats dins lo monde. Pasmens, leis Estats Units, China e l'Union Europèa assaian de desvolopar una produccion pus locala per de rasons estrategicas e car la produccion mondiala es actualament pas capabla de respòndre a la demanda.

En Occitània, l'èst dei Bocas de Ròse es una region implicada dins la produccion de semiconductors e de transistors dempuei la fin deis ans 1970. En 2024, i aviá ansin una importanta usina dau grop STMicroelectronics a Rosset. Plusors companhiás de mendre importància (de quauquei desenaus a quauquei centenaus de trabalhaires) son tanben implantadas dins la region. La pus coneguda es probable Gemplus, installada a Gèmas, qu'es venguda Gemalto en 2008.

Lei dos tipes principaus de transistors permèton de respòndre a de besonhs diferents. Lei transistors bipolars son ansin puslèu utilizats dins lei circuits analogics e dins lei dispositius d'electronica de poissança. Lei transistors d'efiech de camp son privilegiats en electronica numerica per realizar d'operacions logicas. Pòdon tanben servir a la fabricacion de circuits de comanda (motors) ò de blòts analogics dins de circuits numerics (per exemple, per fabricar un regulator de tension).

• (en) S. W. Amos e M. R. James, Principles of Transistor Circuits, Butterworth-Heinemann, 1999.
• (fr) Jacques Dezoteux e Roger Petit-Jean, Les transistors, Presses universitaires de France, 1964, 128 p.
• (en) Paul Horowitz e Winfield Hill, The Art of Electronics, Cambridge University Press, 3^a edicion, 2015.
• (fr) Henri Lilen, La belle histoire des révolutions numériques électronique, informatique, robotique, internet, intelligence artificielle, De Boeck supérieur, 2019.
• (fr) Thomas Skotnicki, Transistor MOS et sa technologie de fabrication, referéncia E2430 v2, Éditions Techniques de l'Ingénieur, 2000.
• (fr) Alain Vignes, Le silicium, du sable aux puces 1. Composants microélectroniques · Volume 1, ISTE Editions Limited, 2023.