Transistor
(Transfer–Resistor – Transfert-Résistance)
Définition rapide :
Le transistor est un composant électronique extrêmement répandu dans les appareils hifis (alimentations, amplificateurs…).
Le transistor est un empilement de 3 couches de semi-conducteurs dont les propriétés permettent de contrôler ou d’amplifier les courants (intensité) et les tensions électriques.
Détails :
Principes d’un semi-conducteur :
Comme son nom l’indique, le semi-conducteur est un matériau, à l’état solide, qui se situe entre les matériaux conducteurs et les matériaux isolants. Tous ces matériaux sont constitués d’atomes.
Un atome est composé d’un noyau et d’électrons qui orbitent autour. Selon l’atome, il y a plus ou moins d’électrons. Ces électrons occupent des orbites selon des niveaux d’énergies n’admettant que certaines valeurs. Quand on fournit de l’énergie à un atome, ses électrons peuvent monter d’un niveau comme une marche d’escalier. Il faut donc apporter une énergie minimum ou plus pour qu’un électron puisse monter une marche (monter au niveau d’énergie supérieure). Un électron ne peut jamais se trouver entre 2 marches (ou niveaux d’énergie).
Dans le cas qui nous occupe, ce sont les électrons qui orbitent sur les 2 dernières couches qui ont une importance. Il s’agit de la bande de valence et de la bande de conduction.
Les électrons de la bande de valence peuvent se lier avec les électrons de cette même bande de valence d’un autre atome.
Par exemple, un atome d’hydrogène a un seul électron et il peut former une liaison covalente avec un autre atome d’hydrogène pour former la molécule de dihydrogène.
D’autres atomes ont des électrons dans la bande de valence et dans la bande de conduction où ils peuvent circuler dans le solide pour contribuer à un courant électrique. Ce sont les métaux.
Les électrons de certains atomes peuvent facilement se libérer de leur atome. Cette faculté est formalisée par la théorie des bandes. Celle-ci indique qu’un électron peut passer d’une bande à l’autre en apportant une énergie minimale pour qu’il monte la marche d’escalier évoquée plus haut. Il y a donc des bandes autorisées et des bandes interdites pour les électrons d’un atome donné. La bande autorisée correspond à une marche et la bande interdite correspond à la contre-marche dans notre analogie de l’escalier.
Dans le cadre des semi-conducteurs, la bande de valence (la dernière couche) et la bande de conduction où les électrons sont libérés sont les 2 bandes qui nous intéressent.
Les métaux ont les bandes de valence et de conduction qui se chevauchent. Il n’y a donc pas de bande interdite entre ces deux bandes. Les électrons passent facilement de la bande de valence à la bande de conduction. Ainsi, les métaux sont conducteurs et les électrons peuvent circuler librement à la surface d’un métal.
Les matériaux isolants sont constitués d’atomes dont la bande interdite est large entre la bande de valence et la bande de conduction. L’énergie à apporter à un électron doit être très élevée pour qu’il passe de la bande de valence à la bande de conduction.
Enfin, certains atomes comme le silicium ont une bande interdite étroite entre la bande de valence et la bande de conduction. Ainsi, l’énergie à apporter est assez faible pour qu’un électron de la bande de valence monte la marche menant à la bande de conduction et devenir « libre ». Ce sont les semi-conducteurs.
Comportement électrique d’un semi-conducteur :
En appliquant une différence de potentiel (un courant électrique) aux extrémités d’un cristal pur de silicium, on constate le passage d’un courant électrique. L’énergie amenée par le courant, s’il est suffisant, va faire passer des électrons de la bande de valence à la bande de conduction et ainsi circuler sur le solide. Quand un électron d’un atome de silicium monte ainsi et circule, il laisse un trou.
Un atome de silicium possède 4 électrons de valence. Quand un électron monte dans la bande de conduction, il ne lui en reste plus que 3. C’est un atome de silicium avec un trou. Cet atome de silicium porte alors une charge positive. L’atome voisin gagne un électron et porte donc une charge négative. Ainsi, les électrons et les trous circulent de proche en proche avec leur charge électrique.
Pour augmenter ces propriétés, le cristal de silicium est dopé en incorporant d’autres atomes. Il s’agit d’augmenter les charges négatives ou positives dans le semi-conducteur.
Afin d’augmenter les charges négatives, il suffit d’incorporer des atomes riches en électrons dans le cristal de silicium. Le cristal de silicium est formé par ses liaisons covalentes qui sont au nombre de 4.
En ajoutant un atome avec 5 électrons de covalence, comme le phosphore, 4 électrons de cet atome forment des liaisons covalentes avec ses 4 atomes de silicium voisins. Il reste un électron sur l’atome de phosphore non lié et donc facilement libérable pour participer à un courant électrique. C’est le dopage N (augmentation des charges négatives).
A contrario, on peut augmenter les charges positives en incorporant des atomes n’ayant que 3 électrons de covalence, comme le bore. Dans le cristal de silicium, cet atome ne pouvant former que 3 liaisons covalentes et ainsi augmenter le nombre de trous et donc de charges positives. C’est le dopage P (augmentation des charges positives).
En mettant en contact un semi-conducteur dopé P et un autre dopé N, les propriétés de ces matériaux permettent de contrôler le courant à leur jonction.
C’est la jonction PN.
En effet, que se passe-t-il si l’on applique une tension positive sur le semi-conducteur dopé P ? Ses charges positives ou ses trous vont être repoussés vers la jonction. Parallèlement, les électrons en excès du semi-conducteur dopé N sont attirés vers la jonction.
Borne + à P+ à Jonction à N- à Borne –
La tension positive circule et son intensité varie exponentiellement avec elle.
En inversant la polarité, le comportement s’inverse également. Les charges positives et négatives s’éloignent de la jonction PN et le courant ne passe plus.
Borne – ß P+ ß jonction à N- à Borne +
C’est une diode. Le courant ne passe que dans un seul sens. Ce composant électronique permet de redresser le courant alternatif dans les alimentations des appareils hifis.
En empilant 3 couches de semi-conducteurs dopés NPN ou PNP, on dispose alors de 2 jonctions et l’on obtient, enfin, les transistors.
Les transistors :
Avec ses trois couches, un transistor dispose de 3 électrodes.
Un transistor avec ses 3 couches de semi-conducteurs formant ces 3 électrodes actives permet de contrôler la tension ou le courant à sa sortie.
Selon l’application du transistor, ces mêmes couches de semi-conducteurs sont nommées différemment :
- Emetteur-Base-Collecteur pour le transistor bipolaire.
- Source-Grille-Drain pour le transistor à effet de champ.
L’utilisation d’un transistor pour amplifier le signal audio à son entrée vise à donner du gain à sa sortie.
Le gain se définit par le rapport entre le courant à la sortie / le courant à l’entrée.
La réserve de porteurs de charges (électrons libres et trous) utilisée pour donner le gain est apportée par l’alimentation à l’émetteur pour le transistor bipolaire et la source pour le transistor à effet de champ.
Transistor bipolaire :
Pour un transistor bipolaire, l’électrode d’entrée est la base et l’électrode de sortie est le collecteur.
En raison de performances supérieures en termes de bande passante (gamme de fréquences du signal audio), ce sont les transistors de couches NPN qui sont majoritairement utilisés. Comme son nom l’indique, le transistor bipolaire fonctionne avec les deux polarités (alternance de tensions négatives et positives). Quand on applique une tension positive à l’émetteur et à la base, la diode émetteur base est polarisée positivement. Le collecteur est, quant à lui, polarisé en inverse (négativement). Cela induit une grande différence de potentiel entre le collecteur et la base.
Théoriquement, tout le courant issu de l’émetteur migre dans le collecteur. Ce courant étant une fonction exponentielle de la tension entre la base et l’émetteur, une très faible variation de tension produit une très forte variation de courant.
Par ailleurs, le courant du collecteur est proportionnel au courant de la base. Le courant de la base (entrée du signal) permet de moduler le courant du collecteur (courant de sortie amplifié).
Transistor à effet de champ ou FET (Field Effect Transistor) :
Pour un transistor à effet de champ, l’électrode d’entrée est la grille et l’électrode de sortie est le drain.
Le FET est monopolaire, c’est-à-dire qu’un seul type de charge circule (électrons ou trous) quand on applique un champ électrique qui autorise la conduction dans le transistor à effet de champ. Alors que le transistor bipolaire est commandé par le courant, le FET est commandé par la tension.
L’autre grande différence réside dans son entrée qui possède une très forte impédance et une très faible capacité.
Dans un amplificateur hifi, on utilise majoritairement deux types de transistors à effet de champ.
Le JFET (Junction Field Effect Transistor).
La grille est directement en contact avec la source et le drain pour former les jonctions entre les différents semi-conducteurs.
Le MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
La grille est métallique et elle est isolée par une capsule de diélectrique (isolant) en dioxyde de silicium (SiO2).
Les transistors ont des caractéristiques qui varient beaucoup et même pour un même modèle.
Les équipements hifis haut de gamme bénéficient d’un appairage des composants électroniques.
Cette opération consiste à effectuer des mesures de ces caractéristiques pour les associer avec ceux dont les caractéristiques sont très proches. Et assurer la bonne cohérence des composants électroniques pour garantir une écoute audiophile.
Transistor bipolaire
Transistor à effet de champ