Les semi-conducteurs : diode & transistor

Au XIX° siècle, la lampe radio était le composant de base de tout poste radio ou amplificateur faisant appel à l'électricité. En 1883, Thomas Edison qui avait remarqué que la chaleur dégagée par les lampes d'éclairage projetait des fragments de carbone sur le verre, eut l'idée d'y placer une électrode (fil conducteur) proche du filament. Il constata qu'un courant passait lorsque l'électrode était reliée au pôle positif du filament, mais pas quand elle était reliée au pôle négatif. En 1897, J. Thompsom comprit que l'« effet Edison » était la résultante des électrons qui s'échappaient à haute température de toute électrode. L'Écossais John Fleming réussit à transformer un courant alternatif en courant continu en 1904 et à utiliser la lampe (diode) comme détecteur dans un récepteur radio. Deux ans plus tard, Lee Forest ajouta une troisième électrode (la grille) entre les deux électrodes de la diode. Un puissant courant circulant dans un seul sens pouvait être modifié par un faible signal électrique introduit au niveau de la grille de la triode. On allait enfin pouvoir superposer le son capté par un microphone et moduler l'onde radio-électrique, la radiophonie était née.

En 1952, le transistor (contraction de transconductance varistor) au silicium était dix fois moins volumineux et plus robuste que son prototype. L'année suivante on l'utilisa pour fabriquer des aides auditives, le transistor allait remplacer la lampe et participer à la miniaturisation. Vers la fin des années cinquante, le temps de réaction du transistor (vocable adopté le 28 mai 1948) atteint le cent millionième de seconde ! Les circuits intégrés allaient permettre l'essor de la micro-électronique : le PDP-1 de Digital Equipement Corporation est le premier ordinateur à transistors (1960), il tient dans 4 armoires de 1,90 m de haut. Par comparaison, l'Eniac qui servit aux calculs pour la construction de la première bombe atomique utilisait 18.000 lampes radio, pesait 30 tonnes, occupait une pièce de 160 m2 et consommait 15.000 watts ! La technologie va permettre dans les années soixante de graver des circuits de transistors sur une seule plaquette de silicium. L'ordinateur troisième de génération, un circuit comprenant 20 transistors sur un même substrat de silicium. Le DPD-8 est le premier mini-ordinateur (1965), la première calculatrice de poche sort en 1971, la puce de silicium mesure 6 mm de côté, et Intel fait breveter un processeur qui tient sur un bloc monocristallin.

Le courant est un déplacement d'électrons qui ont quitté l'orbite de leur atome. Un atome a en général plusieurs électrons répartis autour de son noyau avec des couches pleines et d'autres remplies partiellement. Lorsque deux atomes sont proches l'un de l'autre, l'interaction produit une modification de leur niveau d'énergie. Le noyau a une charge positive et les électrons une charge négative, à l'état normal les deux charges s'équilibrent, l'atome est neutre, mais les électrons de la couche périphérique peuvent sous l'effet de la chaleur ou d'un champ électrique passer de la bande valence dans la bande conduction. Si l'atome a perdu des électrons il est chargé positivement, s'il en a gagné il est chargé négativement.

Tous les métaux sont conducteurs mais tous les électrons d'un métal ne sont pas libres, pour le cuivre, un seul sur vingt-neuf peut se déplacer librement et il en faut des milliers pour produire un courant faible. Un courant ne peut circuler à travers un circuit que s'il y a un nombre excédentaire d'électrons à une extrémité et un déficit à l'autre, cette différence de potentiel se mesure en volts. Les métaux conducteurs comportent beaucoup d'électrons plus ou moins stables qui facilitent le flux du courant, et les électrons circulent du négatif vers le positif. Un isolant s'oppose au passage du courant, le verre par exemple est 10^19 moins conducteur que le cuivre, il faut donc 10^19 fois plus d'énergie pour y déplacer les électrons.

Les semi-conducteurs sont des corps qui se classent entre les conducteurs et les isolants (à température normale), ils appartiennent principalement au groupe IV du tableau de Mendeleïev. Le germanium (Ge), silicium (Si) et arséniure de gallium (GaAs) possèdent 4 électrons de valence sur leur couche périphérique, ils peuvent donc perdre ou gagner des électrons et devenir isolant soit conducteur. La conductibilité des semi-conducteurs est environ 10^5 fois plus faible que celle des métaux, il est possible d'en diminuer la résistivité en y introduisant des atomes étrangers (de l'ordre d'une impureté pour un milliard d'atomes). Si dans un cristal de silicium on substitue un atome à un autre comportant 5 électrons périphériques, un électron (donneur) peut pénétrer dans les liaisons avec les atomes voisins et se déplacer dans le réseau d'atomes qui participent aux liaisons inter-atomiques (dopage type N). Si l'impureté introduite ne comporte que 3 électrons périphériques, un électron manque, le dopage type P créé un trou, un atome capte les électrons (accepteur). Si les zones positive et négative entrent en contact il apparaît à la surface limite un appauvrissement, c'est à dire une couche de résistance plus élevée.

Lors de la fabrication, une tranche polie de silicium monocristallin du type P est portée à un millier de degrés centigrades puis exposée à la vapeur d'arsenic ou de phosphore qui diffuse à travers la surface. La couche supérieure se transforme en silicium de type N qui est ensuite recouverte d'une couche protectrice isolante de dioxyde de silicium. La structure monocristalline étant continue à travers la jonction, les électrons de la région type N peuvent diffuser vers la région de type P. La région type N devient positive en raison du manque d'électrons et la région type P devient négative en raison de l'excès d'électrons. Les éléments semi-conducteurs qui comprennent un passage du positif vers le négatif sont appelés diode.

La jonction se comporte comme un conducteur unidirectionnel ne laissant passer le courant que dans un seul sens (effet diode). Polarisée en inverse, la diode ne laisse passer qu'un faible courant de saturation et présente une forte résistance (résistivité de 50 Ω/cm pour le Ge et 10 Ω/cm pour le Si, pour comparaison, celle du cuivre vaut 1,7 kΩ/cm). La diode bloque imparfaitement le courant et consomme une certaine puissance, la courbe relation courant-tension n'est pas linéaire comme dans une résistance, elle se comporte différemment en fonction de la tension appliquée et accroît ou réduit la zone d'appauvrissement. En polarisation directe (diode passante), la tension doit être supérieure à la tension Forward voltage pour que le courant la traverse. Polarisée en inverse (bloquant), la tension entre Vbr (voltage breakdown reverse) et FV est bloquée (une tension inverse importante peut détruire la jonction). La diode a besoin d'une tension minimale Vf pour fonctionner, 0,7 V pour le silicium et 0,3 V pour le germanium. Pour les 2 %o d'« ergoteurs »..., il existe les diodes de redressement (série 1N4...), détection (OA95), Zener, Schottky, tunnel, varicap, photodiode, à pointe, snap-off, à avalanche afin d'offrir des caractéristiques spécifiques ; thyristor et triac sont assimilables à l'effet diode comme le laisse percevoir leur symbole.

Le transistor est comparable à deux diodes accolées donnant selon leur sens d'accolage, trois régions distinctes avec une région centrale entourée de deux régions identiques d'un type opposé (NPN ou PNP). Si la région centrale est de type P, les deux autres sont de type N ce qui donne un transistor NPN (tension polarisation positive). Un transistor comporte trois connexions dont les couches épitaxiales (du grec épi sur, et taxis arrangement) sont superposées afin d'en conserver la structure nomocristalline. La couche de l'émetteur est dopée fortement - la couche de la base, très mince (env 10 µm), est dopée légèrement ainsi que celle du collecteur. Chaque jonction prise isolement (EB et BC) se comporte comme une diode (bipolaire fait référence au collecteur et à l'émetteur). C'est l'influence d'une jonction sur l'autre qui donne l'effet transistor. Un courant ou un signal appliqué à la base permet de contrôler ou de moduler le courant de collecteur.

Dans un transistor NPN, les porteurs de charges sont les électrons négatifs qui migrent de l'émetteur vers le collecteur. En l'absence de tension, les trous et les électrons des différentes zones se rassemblent et des charges apparaissent aux frontières entre zones, le potentiel n'étant plus constant, des barrières de potentiel se forment, l'une au niveau de la jonction EB empêche les électrons de l'émetteur de diffuser vers la base et les trous de diffuser vers l'émetteur, l'autre au niveau de la jonction base collecteur empêche les trous de la base de diffuser vers le collecteur et les électrons du collecteur de diffuser vers la base. Un état d'équilibre s'établit et l'influence d'une jonction sur l'autre s'annule (les électrons sont majoritaires dans l'émetteur et le collecteur, les trous le sont dans la base).

Les transistors types NPN et PNP ne diffèrent pas dans leur fonctionnement, leur tension est inversée comme l'indique l'orientation de la flèche (émetteur) de leur symbole (ils sont complémentaires dans certains montages, paire de Sziklai par exemple). Le choix d'un transistor est fonction de la tension maximale collecteur-émetteur (Vcemax), du courant maximal de collecteur (Icmax), de son gain en courant (ϐ) et de sa fréquence de coupure (F1) Quelques transistors universels choisis judicieusement (2N2222, BC 108, etc.,) suffisent dans la majorité des applications (HF, BF et commutation), à condition d'en respecter la puissance...

Un circuit intégré peut regrouper plusieurs dizaines de milliers de transistors sur quelques centimètres carrés de silicium. Le circuit monolithique gravé sur une plaquette monocristalline de silicium (matériau le plus courant) peut recevoir des milliers de composants interconnectés, une résistance est un simple couche de semi-conducteur isolée, un condensateur une petite jonction pn en polarisation inverse. La taille de la gravure des microprocesseurs actuels tourne vers 14 nanomètres (10^-9) et un microprocesseur contenir un milliard de transistors !

La loi de Gordon Moore : « la miniaturisation serait-elle que le nombre de transistors par microprocesseur doublerait tous les dix-huit mois à deux ans. (...) Une puce de nouvelle génération deux fois plus puissante serait sur le marché » énoncée en 1965 est arrivée à échéance plus tôt qu'annoncée (2020). Une équipe de chercheurs est parvenue, en 2012, à fabriquer un transistor mono-atomique formé d'un seul atome de phosphore ! Ce matériau qui possède un électron de plus que le silicium (ce qui augmente sa conductivité) a ouvert la voie vers l'« ordinateur quantique ». Si le transistor bipolaire est soit bloqué ou passant, le transistor mono-atomique est assimilé à un état à la fois ouvert et fermé (superposition quantique). « L'utilisation d'atomes artificiels équivalents à l’hydrogène, au lithium et au sodium peut utiliser cet électron unique comme qubit, la version quantique d’un bit binaire. (...) Cela signifie qu’ils permettent d’effectuer des calculs parallèles, plutôt que consécutivement, ce qui en fait un outil informatique beaucoup plus puissant. Jusqu’à présent, les imperfections des dispositifs en silicium au niveau atomique ont perturbé le comportement des qubits entraînant un fonctionnement et des erreurs non fiables. (...) Il faut savoir qu’un électron est de nature très fragile. Cependant, un atome artificiel avec 5 électrons, ou 13 électrons, est beaucoup plus robuste ».

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