LE TRANSISTOR

Bonjour à toutes et à tous.

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Le transistor est un composant particulier, vraiment…
Et un de plus ! Allez-vous me dire, et il me semble en effet avoir déjà dit des choses du même genre en ce qui concerne la résistance ou bien la diode… Genre composant très usité, ou moins… Là, on joue dans une autre cour…
Ce composant est un composant de légende, il a révolutionné le monde, rendu possible la miniaturisation des circuits électroniques, au point de réduire à la taille d’une tablette une salle informatique du temps jadis pas si lointain.
Alors on peut trouver des circuits sans aucun transistor… On peut trouver des circuits avec un seul transistor… On peut trouver des circuits avec des centaines de milliers de transistors !!! Le tout sur la même surface.
C’est pas banal hein ?
Vous raconter que je maîtrise cet animal saugrenu serait un mensonge, d’ailleurs j’ai longuement hésité avant de me décider à écrire cet article tellement j’ai de mauvais souvenirs (d’études principalement) liés à lui.
Montage en émetteur commun (potentiel constant), montage en collecteur commun (suiveur de tension), on ajoute un condo et hop ! On se retrouve avec une amplification sinusoïdale, plus deux résistances et on crée une contre-réaction par la base ou le collecteur… Montage Darlington, Push-pull, ballast (suiveur de tension avec NPN de puissance en collecteur commun)… Je ne vous raconte pas les prises de tête dont il me reste d’innombrables schémas auxquels je ne comprends plus grand chose sans m’y pencher un long moment…
Ce composant, quand il est présent sur nos circuits, est facile à reconnaître sauf quand il se cache sous la forme de circuit intégré, et dans ce cas, il n’est jamais seul là dedans mais accompagné par des congénères et aussi par d’autres composants du genre de ceux que nous avons déjà vus.
Ces circuits intégrés, portent des noms déjà entendus et nous les rencontrerons certainement dans d’autres articles, en effet il est bien plus commode d’utiliser un NE555 ou un LMXXX plutôt que d’encombrer la plaquette avec des transistors et des composants d’adaptation obligatoires.
Alors en toute franchise je vous le dis, mes articles sur les composants électroniques ne font qu’expliquer le rôle de ces composants, quelques-fois j’entre un peu dans les détails car je maîtrise le sujet, mais pas dans le cas du transistor, il faudrait un livre de mille pages pour décrire toutes les applications possibles de ce petit animal à trois pattes, heureusement la jungle du net est très prolixe à ce niveau et vous y trouverez tout ce qu’il faut pour ça (des absurdités aussi).

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Un peu d’histoire :

il a été inventé en 1947 (certains l’avaient déjà imaginé avant) par la société BELL (pour les chauvins qui se réjouissent déjà, je précise: pas celle qui a inventé la vache qui rit, ajoutez y un « L »).
Bon, j’ai déjà parlé de la société BELL (plus exactement BELL Labs) parce qu’elle est incontournable quand on parle technologie, en effet la société est à l’origine d’un paquet d’innovations…
Et pas qu’en matière électronique. Elle est aussi à l’origine d’UNIX et du langage C par exemple, mais il faudrait un sacré nombre de pages pour énumérer tout cela.
Il n’a pas été utilisé de façon industrielle avant 1950 et l’utilisation du silicium par TEXAS INSTRUMENTS mais à partir de là, ce fut une véritable révolution.
Nous pouvons quand-même au vu de l’importance de cette invention, citer les trois humains qui en sont à l’origine car ils nous sont connus:
John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) et Walter Houser Brattain (1902-1987) qui ont reçu le prix Nobel de physique pour cette invention, pour la petite histoire, le premier nommé s’est permis le luxe de choper un autre prix Nobel (supra-conductivité) moins de vingt ans après, ce qui montre que nous ne sommes pas en présence de rigolos.
Bon, on va arrêter là, car les travaux de ces messieurs et leurs conséquences aujourd’hui sont vraiment considérables.
De plus, comme tous les génies, ils étaient vraiment bizarres mais c’est une autre histoire.
De leur propre aveu, ils étaient bien loin de se douter de la portée de leur invention, à la base le transistor devait remplacer les tubes à vide, lourds, fragiles et énergivores et ils l’ont fait… Mais nos inventeurs ont pu voir de leur vivant l’énorme évolution de leur invention ce qui n’a pas dû être drôle tous les jours puisqu’en tant que salariés de la BELL, ils n’ont eu qu’une prime de un dollar chacun pour cette découverte (heureusement qu’il y a eu le Nobel).
Vous allez vous dire que la société BELL a gagné le pactole, et bien non, ils se sont complètement plantés sur les domaines d’applications et les grands gagnants furent les Japonais qui ont tout de suite compris que la miniaturisation et l’autonomie appliquées au son et à l’image allaient leur permettre de se faire des testicules dorées (je cherche encore à comprendre le sens de cette expression).

Sinon, au niveau de l’intégration, les mémoires, les processeurs en contiennent un certain nombre, pourquoi ?
Parce qu’en les assemblant judicieusement, on en fait des portes logiques.
En 2020 le top du top des processeurs n’en contient pas moins d’une vingtaine de milliards…
Vous vous rendez compte ?
Et bien, moi non plus…

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Le nom « TRANSISTOR » :

bon, je ne vais pas partir dans le délire comme pour le condensateur, même si au départ j’avais inventé une bonne histoire bien drôle, mais je ne peux me résoudre à encore tourner en dérision un composant de légende.
Ce qui est marrant, c’est que pour un composant relativement récent, personne n’est d’accord sur la signification de son appellation, d’aucuns vont vous affirmer que c’est la contraction de TRANSconductance varISTOR mais si vous lisez Wikipédia, on va vous raconter que TRANSISTOR veut dire TRANSfer reSISTOR et que ce nom à été choisi par un comité directeur de vingt six personnes réuni rien que pour ça (marrant car c’est un peu ce que j’avais imaginé pour le condensateur). Et bien QUE NENNI, C’est faux et Wikipédia se trompe encore une fois (ce n’est pas parce que c’est une encyclopédie « libre » qu’elle doit s’autoriser à distribuer des conneries), et ça, je le tiens d’une interview vidéo de John Bardeen et Walter Brattain où ils racontent que c’est un autre chercheur nommé Pearson qui a proposé quelques noms et que le choix a été arrêté par Walter Brattain qui a trouvé que TRANSISTOR sonnait bien à l’oreille.
Je n’ai rien contre le principe de Wikipédia bien au contraire, mais sachez que la mention « source insuffisante » lui permet de raconter des choses contradictoires avec la vérité, là, c’est bénin, mais sur d’autres sujets c’est carrément grave.

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TRANSISTOR quèsaco ?

c’est un composant de la race des semi-conducteurs, issu directement de la diode (nous pourrions simplifier le transistor en disant qu’il est l’équivalent de deux diodes accolées tête-bêche mais ne pensez pas en fabriquer un ainsi), c’est donc un composant « actif », et contrairement aux composants que nous avons déjà étudiés, ce n’est pas un dipôle étant donné qu’il possède trois électrodes.
Pourquoi trois électrodes ? Nous verrons cela un peu plus loin au chapitre des types de transistors, pour l’instant disons que l’action sur l’une va provoquer sous certaines conditions un passage de courant entre les deux autres.
Si votre transistor est un modèle commun (bipolaire) les électrodes portent les doux noms de « base », « émetteur » et « collecteur ».
Si le transistor est un transistor à effet de champ (FET pour Field Effect Transistor), La base devient « grille », l’émetteur devient « source », et le collecteur « drain ».

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Les états du transistor :

d’après mes souvenirs, il peut se retrouver dans deux états, saturé ou bloqué, j’en ajoute un troisième pour vous faire prendre conscience d’un état intermédiaire lié à sa propriété d’amplification.

Donc :

• Il est bloqué si le courant sur sa base est nul, il ne passe donc rien entre son collecteur et son émetteur.

• Il est passant lorsque une arrivée fixe ou modulée de courant sur sa base permet un passage de courant (fixe ou modulé aussi) entre son collecteur et son émetteur, il est alors en régime dit linéaire.

• Il est en saturation maximum lorsque que le courant appliqué sur sa base permet le passage de la totalité du courant entre son collecteur et son émetteur, à partir de la, le courant amplifié ne bougera plus même si le courant de base augmente.

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A quoi sert-il ?

et bien, d’après ses états possibles, on peut dire avec certitude qu’il va servir en commutation (interrupteur électronique) et en amplification.
En commutation, c’est facile à comprendre, on envoie du courant sur la base et il conduit, donc se comporte en interrupteur fermé, on arrête l’envoi (ou on passe sous le seuil de polarisation) et il se bloque, se comportant en interrupteur ouvert.
En amplification, il faut prendre conscience d’une donnée du transistor : son gain, en effet, selon ce gain, le courant circulant entre le collecteur et l’émetteur va être la multiplication par X de celui qui est injecté sur la base.

On le trouve rarement seul, en effet c’est un composant qui demande une gestion de la quantité de courant arrivant par sa base qui va permettre un passage de courant (variable ou constant) entre son collecteur et son émetteur.
Vous comprendrez donc aisément dans cet exemple qu’on va trouver au moins un composant du genre résistance relié à la base afin d’éviter de claquer l’animal qui est du genre fragile à ce niveau.

En résumé, il sert d’interrupteur commandé, d’amplificateur, mais aussi de stabilisateur de potentiel et de modulateur de signal ce qui permet d’expliquer pourquoi l’électronique a fait un grand bond en avant lors de son apparition.

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Les types de transistors :

le plus usité est le transistor bipolaire souvent abrégé en BJT (Bipolar Junction Transistor) et nous allons en trouver deux types: le PNP et le NPN, d’un point de vue aspect, rien ne les distingue, par contre, d’un point de vue schématique vous trouverez toujours une petite flèche sur l’émetteur qui ira vers l’intérieur dans le cas d’un PNP et vers l’extérieur dans le cas d’un NPN. C’est sa polarité.
Un transistor PNP aura son collecteur relié au négatif de l’alimentation tandis qu’un NPN l’aura au positif.
Vous l’avez compris, c’est une question de dopage de zones, en l’occurrence trois comme le nombre d’électrodes reliées à ces zones, celle du milieu étant le collecteur. Trois zones (Négative, Positive, Négative ou bien Positive, Négative, Positive) nous font donc deux jonctions d’où sa classification bipolaire.

Le transistor FET (Field Effect Transistor) quand à lui utilise les propriétés d’un champ électrique pour faire la même chose mais avec des caractéristiques différentes lui ouvrant d’autres domaines d’application, on va le trouver sous diverses formes dans l’électronique logique (processeurs, mémoires…) ainsi que dans l’électronique de puissance (moteurs, régulateurs…).
Au niveau polarité, il existe des FET « canal N » et d’autres « canal P »
Il n’est pas commandé en intensité mais en tension « grille » c’est donc un composant à très haute impédance d’entrée (en centaines de M ohms), il bosse en tension certes, mais son pouvoir amplificateur est ridicule et ne sert absolument pas dans ce mode. Son domaine de prédilection est sa fréquence maximum bien plus élevée que celle d’un transistor classique.
Selon son domaine, il sera J-FET (effet de champ à jonction) ou MOS-FET (effet de champ à couche d’oxyde de silicium), il existe d’autres variants dont je ne me souviens même plus car je ne les ai que très rarement rencontrés et encore moins utilisés.

L’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est un transistor qui est bipolaire d’un coté et MOS-FET de l’autre. Il est utilisé en commutation dans le domaine de l’électronique de puissance.

Le transistor UJT (unijonction) n’est pas vraiment un transistor et a peu d’applications, il ne sert plus à rien et je ne vais pas le détailler car pour être pédagogue il me faudrait utiliser une comparaison avec un composant que nous n’avons pas encore vu. J’en parlerais peut-être lorsque j’aborderais le diac, mais même pas sûr…

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Le choix d’un transistor :

c’est l’anarchie là-dedans, il y a près de 20000 références et pourtant si on enlevait les doublons et les très spécifiques presque jamais utilisés chez le commun des mortels (dont je fais partie), nous nous retrouverions avec un maximum d’une centaine d’exemplaires vraiment différents.
Oui, seulement une centaine, et encore, certaines de ces différences ne se situent qu’au niveau des boîtiers utilisés genre les séries TO, TIP, SO, DPACK, SOT…

Et puis nous avons des transistors qui tiennent 1A, d’autres qui peuvent se prendre 10A et qui ne sont pas plus onéreux. D’ailleurs le prix de ce composant est dans la plupart des cas très modique.

Il faut faire attention à plusieurs données importantes faciles à comprendre :

Sa tension VCE MAX qui est la tension maximum entre le collecteur et l’émetteur quand le transistor est bloqué.

Son courant collecteur maximum (IC), calculé souvent en ajoutant un radiateur.

Sa puissance maximum (P), encore avec un radiateur.

Sa fréquence maximum de coupure (F).

Son gain, appelé bêta ou HFE ou encore H21e, donnée très importante, et super mouvante au sein de deux transistors de même référence.

Sa polarité, dont le choix dépend du montage.

Son type de boîtier, qui dépend lui aussi du montage et de la dissipation calorifique voulue, on peut bricoler un peu de ce coté lè, mais il faut faire attention à certaines choses genre refroidissement et aussi qu’il existe des transistors métalliques avec deux pattes (base, émetteur) et dans ce cas, le collecteur n’est autre que le boîtier, l’adaptation devient alors un tantinet usine à gaz.

Sa nature, donc le type de cristal utilisé pour sa fabrication lié comme vous le savez déjà à la tension du seuil de polarisation.

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Trois pattes = transistor ?

et bien non, un triac n’est pas un transistor, un diac non plus d’ailleurs, pas plus qu’un thyristor et il y en a d’autres… Dont certains que nous verrons certainement. Ils ont les mêmes boîtiers, contiennent souvent un ou plusieurs transistors et il faut donc se pencher sur la schématique ou bien la référence pour les différencier.

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Le marquage :

c’est le bord… comme pour beaucoup de composants. Alors nous avons bien les dinosaures encore utilisés de nos jours genre les célèbres 2N2222 bipolaires à tout faire que tout le monde a en stock, mais pour le reste il faut connaitre les différents codes de marquages Japonais, Américains, Javanais… Je possède encore certains bouquins RCA, THOMSON et consorts bien épais qui étaient forts utiles à l’époque. A l’heure du net c’est plus facile à l’aide des moteurs de recherche et des guides en ligne.

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Détournement ?

on peut, nous l’avons vu avec la diode qui permet dans certaines conditions de n’utiliser que sa tension de seuil. Je sais qu’on peut utiliser un MOSFET pour se construire une diode parfaite (sans tension de seuil) pour certaines applications dont la plus crédible est dans le domaine des panneaux solaires afin de ne pas trop consommer à l’aller. Bon, je pense qu’il y a des limites en puissance, à voir donc…

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C’est la fin…

Voilà, moi je vais arrêter ici, comme je vous l’ai dit, il est quelques-fois bien plus pratique d’utiliser un circuit intégré qui vous évitera une grosse prise de tête en conception même si vous n’utilisez qu’une partie de ses fonctions. Quand au dépannage, et bien il suffit de tester l’animal avec l’un de ces nombreux testeurs de transistors que tout bon dépanneur possède en plusieurs exemplaires et de le changer en cas de doute par le même ou bien par son équivalence qui en général existe, sans oublier quand on a trouvé le remplaçant de vérifier son gain afin d’éviter quelques-fois des réglages de trimers si on a la chance d’en trouver ou bien de changer la valeur de résistance de base.

En vérité, je vous le dis, sans les transistors nous retournerions à un âge de pierre technologique, mais nous serions moins bêtes parce que si je sais quelque chose avec certitude, c’est que la révolution (c’est le bon mot) technique qu’il a provoqué nous a rendu de fiers services pour ensuite nous rendre nettement plus cons et c’est là-dessus que je vous laisse réfléchir…

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A bientôt.