Comment un transistor est-il fabriqué?

Photo: Une plaquette de silicium. Photo avec l’aimable autorisation du Centre de recherche Glenn de la NASA (NASA-GRC).

Les transistors sont fabriqués à partir de silicium, un élément chimique présent dans le sable, qui ne conduit normalement pas l’électricité (il ne permet pas aux électrons de le traverser facilement).Le silicium est un semi-conducteur, ce qui signifie qu’il n’est ni vraiment un conducteur (quelque chose comme un métal qui laisse circuler l’électricité) ni un isolant (quelque chose comme du plastique qui arrête la circulation de l’électricité). Si nous traitons le silicium avec des impuretés (un processus appelé dopage), nous pouvons le faire se comporter différemment. Si nous dopons le silicium avec les éléments chimiques arsenic, phosphore ou antimoine, le silicium gagne des électrons « libres » supplémentaires — ceux qui peuvent transporter un courant électrique — afin que les électrons s’en échappent plus naturellement. Parce que les électrons ont une charge négative, le silicontré de cette façon est appelé type n (type négatif). Nous pouvons également doper le silicium avec d’autres impuretés telles que le bore, le gallium et l’aluminium. Le silicium traité de cette façon contient moins d’électrons « libres », de sorte que les électrons des matériaux voisins auront tendance à s’y écouler. Nous appelons ce type de silicium de type p (type positif).

Rapidement, au passage, il est important de noter qu’aucun silicium de type n ou de type p n’a réellement de charge en soi: les deux sont électriquement neutres. Il est vrai que le silicium de type n a des électrons « libres » supplémentaires qui augmentent sa conductivité, tandis que le silicium de type p a moins de ces électrons libres, ce qui contribue à augmenter sa conductivité de manière opposée. Dans chaque cas, la conductivité supplémentaire provient de l’ajout d’atomes neutres (non chargés) d’impuretés au silicium qui était neutre au départ — et nous ne pouvons pas créer de charges électriques à partir d’air mince! Une explication plus détaillée aurait besoin de moi pour introduire une idée appelée théorie des bandes, qui dépasse un peu le cadre de cet article. Tout ce dont nous devons nous souvenir, c’est que « électrons supplémentaires » signifie des électrons libres supplémentaires — ceux qui peuvent se déplacer librement et aider à transporter un courant électrique.

Sandwichs au silicium

Nous avons maintenant deux types de silicium différents. Si nous les assemblons en couches, en faisant des sandwichs de matériaux de type p et de type n, nous pouvons fabriquer différents types de composants électroniques qui fonctionnent dans toutes sortes de voies.

Supposons que nous joignions un morceau de silicium de type n à un morceau de silicium de type p et que nous mettions des contacts électriques de chaque côté. Des choses passionnantes et utiles commencent à se produire à la jonction entre les deuxmatériaux. Si nous tournons le courant, nous pouvons faire circuler des électrons à travers la jonction du côté de type n vers le côté de type p et à travers le circuit. Cela se produit parce que le manque d’électrons du côté de type p de la jonction tire les électrons du côté de type n et vice-versa. Mais si nous inversons le courant, les électrons ne couleront pas du tout. Ce que nous avons fabriqué ici s’appelle une diode (ou redresseur). C’est un composant électronique qui laisse passer le courant dans une seule direction. C’est utile si vous voulez transformer le courant électrique alternatif (bidirectionnel) en courant direct (unidirectionnel). Des diodes peuvent également être fabriquées pour qu’elles émettent de la lumière lorsque l’électricité les traverse. Vous avez peut-être vu ces diodes électroluminescentes (LED) sur les calculatrices de poche et les affichages électroniques sur les équipements stéréo hi-fi.

Fonctionnement d’un transistor à jonction

Photo: Un transistor PNP en silicium typique (un A1048 conçu comme amplificateur de fréquence audio).

Supposons maintenant que nous utilisions trois couches de silicium dans notre sandwich au lieu de deux. Nous pouvons soit faire un sandwich p-n-p (avec une tranche de silicium de type n comme garniture entre deux tranches de type p), soit un sandwich n-p-nsandwich (avec le type p entre les deux plaques de type n). Si nous joignons des contacts électriques aux trois couches du sandwich, nous pouvons créer un composant qui amplifiera un courant ou l’allumera ou l’allumera — en d’autres termes, un transistor. Voyons comment cela fonctionne dans le cas du transistor ann-p-n.

Pour que nous sachions de quoi nous parlons, donnons des noms aux trois contacts électriques. Nous appellerons les deux contacts joints aux deux pièces de silicium de type n l’émetteur et le collecteur, et le contact joint au silicium de type p nous appellerons la base. Lorsque le nocurrent circule dans le transistor, on sait que le silicium de type p est à court d’électrons (représentés ici par les petits signes plus, représentant des charges positives) et que les deux morceaux de silicium de type n ont des électrons supplémentaires (représentés par les petits signes moins, représentant des charges négatives).

Une autre façon de voir cela est de dire que si le type n a un plus grand nombre d’électrons, le type p a des trous où les électrons doivent être. Normalement, les trous dans la base agissent comme une barrière, empêchant tout flux de courant important de l’émetteur vers le collecteur tandis que le transistor est dans son état « off ».

Un transistor fonctionne lorsque les électrons et les trous commencent à se mouvoir à travers les deux jonctions entre le silicium de type n et le silicium de type p.

Connectons le transistor jusqu’à une certaine puissance. Supposons que nous attachions une petitetension positive à la base, que l’émetteur soit chargé négativement et que le collecteur soit chargé positivement. Les électrons sont tirés de l’émetteur dans la base — puis de la base dans le collecteur. Et le transistor passe à son état « on »:

Le petit courant que nous allumons à la base fait circuler un gros courant entre l’émetteur et le collecteur. En transformant un petit courant d’entréecourant en un grand courant de sortie, le transistor agit comme un amplificateur. Maisil agit également comme un interrupteur en même temps. Lorsqu’il n’y a pas de courant à la base, peu ou pas de courant circule entre le collecteur et l’émetteur. Allumez le courant de base et un grand courant circule. Ainsi, le courant de base allume et éteint tout le transistor. Techniquement, ce type de transistor est appelé bipolaire cardeux types différents (ou « polarités ») de charge électrique (électrons négatifs et trous positifs) sont impliqués dans la circulation du courant.

On peut aussi comprendre un transistor en le pensant comme une paire de diodes. Avec la base positive et l’émetteur négatif, la jonction base-émetteur est comme une diode biaisée vers l’avant, avec des électrons se déplaçant dans une direction à travers la jonction (de gauche à droite dans le diagramme) et des trous allant dans le sens inverse (de droite à gauche). La fonction de collecteur de base est comme une diode polarisée en inverse. La tension positive du collecteur tire la plupart des électrons à travers et dans le circuit extérieur (bien que certains électrons se recombinent avec des trous dans la base).

Comment fonctionne un transistor à effet de champ (FET)

Tous les transistors fonctionnent en contrôlant le mouvement des électrons, mais ils ne le font pas tous de la même manière. Comme un transistor à jonction, un FET (transistor à effet de champ) a trois bornes différentes — mais ilsont les noms source (analogue à l’émetteur), drain (analogue au collecteur) et grille (analogue à la base). Dans un FET, les couches de silicium de type n et de type p sont disposées de manière légèrement différente et recouvertes de couches de métal et d’oxyde. Cela nous donne un dispositif appelé aMOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor).

Bien qu’il y ait des électrons supplémentaires dans la source et le drain de type n, ils ne peuvent pas circuler de l’un à l’autre à cause des trous dans la porte de type p entre eux. Cependant, si nous attachons un positiftension à la porte, un champ électrique y est créé qui permet aux électrons de circuler dans un canal mince de la source au drain. Cet  » effet de champ  » permet à un courant de circuler et met le transistor en marche:

Par souci d’exhaustivité, nous pourrions noter qu’un MOSFET est un transistor unipolaire car un seul type (« polarité ») de charge électrique est impliqué dans son fonctionnement.

Comment fonctionnent les transistors dans les calculatrices et les ordinateurs ?

En pratique, vous n’avez pas besoin de connaître tout ce qui concerne les électrons et les trous, sauf si vous allez concevoir des puces informatiques pour gagner votre vie! Tout ce que vous devez savoir, c’est qu’un transistor fonctionne comme un amplificateur ou un interrupteur, en utilisant un petit courantpour allumer un plus grand. Mais il y a une autre chose à savoir: comment tout cela aide-t-il les ordinateurs à stocker des informations et à prendre des décisions?

Nous pouvons assembler quelques commutateurs à transistors pour faire quelque chose d’appelé une porte logique, qui compare plusieurs courants d’entrée et donne une sortie différente en conséquence. Les portes logiques permettent aux ordinateurs de prendre des décisions très simples en utilisant une technique mathématique appelée algèbre booléenne. Votre cerveau prend les décisions de la même manière. Par exemple, en utilisant des « entrées » (choses que vous savez) sur la météo et ce que vous avez dans votre couloir, vous pouvez prendre une décision comme celle-ci: « S’il pleut ET QUE j’ai un parapluie, j’irai aux magasins ». C’est un exemple d’algèbre booléenne utilisant ce qu’on appelle un « opérateur » ET (le mot opérateur n’est qu’un peu de jargon mathématique pour que les choses semblent plus compliquées qu’elles ne le sont réellement). Vous pouvez prendre des décisions similaires avec d’autres opérateurs. « S’il y a du vent OU qu’il neige, alors je mettrai un manteau » est un exemple d’utilisation d’un opérateur OR. Ou que diriez-vous de « S’il pleut ET QUE j’ai un parapluie OU un manteau, alors il est normal de sortir ». En utilisant AND, OR et d’autres opérateurs appelés NOR, XOR, NOT et NAND, les ordinateurs peuvent additionner ou comparer des nombres binaires.Cette idée est la première pierre des programmes informatiques: la série logique d’instructions qui font que les ordinateurs font des choses.

Normalement, un transistor de jonction est « off » lorsqu’il n’y a pas de courant de base et passe à « on » lorsque le courant de base circule. Cela signifie qu’il prend un courant électrique pour allumer ou éteindre le transistor. Mais des transistors comme celui-ci peuvent être connectés avec des portes logiques afin que leurs connexions de sortie reviennent dans leurs entrées. Le transistor reste ensuite allumé même lorsque le courant de base est supprimé. Chaque fois qu’un nouveau courant de base circule, le transistor « bascule » sur ou hors tension. Il reste dans l’un de ces états stables (activé ou désactivé) jusqu’à ce qu’un autre courant arrive et le retourne dans l’autre sens. Ce genre d’arrangement est connu sous le nom de bascule et il transforme l’atranistor en un simple dispositif de mémoire qui stocke un zéro (quand il est éteint) ou un (quand il est éteint). Les tongs sont la technologie de base derrière les puces de mémoire d’ordinateur.