Comment fonctionne un transistor et où est-il utilisé ?

Un élément radioélectronique en matériau semi-conducteur crée, amplifie et modifie des impulsions dans des circuits et systèmes intégrés pour le stockage, le traitement et la transmission d'informations à l'aide d'un signal d'entrée. Un transistor est une résistance dont la fonction est régulée par la tension entre l'émetteur et la base ou la source et la grille, selon le type de module.

Types de transistors

Les transistors sont largement utilisés dans la fabrication de circuits numériques et analogiques pour annuler le courant de consommation statique et obtenir une meilleure linéarité. Les types de transistors diffèrent en ce que certains sont commandés par une variation de tension, tandis que d'autres sont commandés par une variation de courant.

Les transistors à effet de champ fonctionnent avec une résistance en courant continu plus élevée, la transformation à une fréquence élevée n'augmente pas le coût énergétique. En termes simples, ce qu'est un transistor, c'est un module avec un bord à haut gain. Cette caractéristique est plus importante pour les types de champ que pour les types bipolaires. Les premiers n'ont pas de dissipation de porteurs de charge, ce qui accélère le fonctionnement.

Les semi-conducteurs de champ sont plus souvent utilisés en raison de leurs avantages par rapport aux types bipolaires :

• Une forte impédance d'entrée au courant continu et à la haute fréquence, ce qui réduit la perte de puissance pour le contrôle ;
• Pas d'accumulation d'électrons non essentiels, ce qui accélère le fonctionnement du transistor ;
• le transport de particules mobiles ;
• la stabilité pendant les fluctuations de température ;
• Faible bruit dû à l'absence d'injection ;
• Faible consommation d'énergie pendant le fonctionnement.

Les types de transistors et leurs propriétés définissent l'objectif. Le chauffage d'un transistor de type bipolaire augmente le courant sur le trajet du collecteur à l'émetteur. Ils ont un coefficient de résistance négatif et les porteurs mobiles passent de l'émetteur au collecteur. La base mince est séparée par des jonctions p-n et le courant n'apparaît que lorsque des particules en mouvement s'accumulent et les injectent dans la base. Certains des porteurs de charge sont capturés par la jonction p-n voisine et accélérés, c'est ainsi que sont conçus les transistors.

Les transistors à effet de champ présentent un autre type d'avantage qu'il convient de mentionner pour les nuls. Ils sont connectés en parallèle sans égalisation de résistance. Les résistances ne sont pas utilisées à cette fin, car leur valeur augmente automatiquement en fonction de la charge. Pour obtenir une valeur élevée du courant de commutation, on recrute un complexe de modules, qui est utilisé dans des onduleurs ou d'autres dispositifs.

Un transistor bipolaire ne doit pas être connecté en parallèle, la détermination des paramètres fonctionnels conduit à la détection d'un claquage thermique de nature irréversible. Ces propriétés sont liées aux qualités techniques des canaux p-n simples. Les modules sont connectés en parallèle en utilisant des résistances pour égaliser le courant dans les circuits émetteurs. En fonction des caractéristiques fonctionnelles et des spécificités individuelles, une classification des transistors est constituée de types bipolaires et à effet de champ.

Transistors bipolaires

Les modèles bipolaires sont fabriqués sous forme de dispositifs semi-conducteurs à trois conducteurs. Dans chacune des électrodes, il y a des couches à conductivité p des trous ou à conductivité n des impuretés. Le choix de l'agencement des couches détermine le déclenchement des dispositifs de type p-n-p ou n-p-n. Lorsque le dispositif est allumé, différents types de charges sont transportés par les trous et les électrons en même temps, 2 types de particules sont impliqués.

Les transporteurs sont transportés par un mécanisme de diffusion. Les atomes et les molécules d'une substance pénètrent dans le réseau intermoléculaire du matériau adjacent et leur concentration se stabilise dans tout le volume. Le transfert s'effectue des zones à forte densité vers les zones à faible densité.

Les électrons se propagent également sous l'action du champ de force autour des particules lorsque les additifs d'alliage sont incorporés de manière inégale dans la masse de base. Afin d'accélérer l'action du dispositif, l'électrode reliée à la couche intermédiaire est rendue mince. Les conducteurs de bord sont appelés l'émetteur et le collecteur. La caractéristique de tension inverse de la jonction est sans importance.

Transistors à effet de champ

Un transistor à effet de champ contrôle une résistance au moyen d'un champ électrique transversal résultant d'une tension appliquée. L'endroit à partir duquel les électrons se déplacent dans le canal est appelé la source et le drain ressemble au point d'entrée final des charges. La tension de commande circule à travers un conducteur appelé la grille. Les appareils sont divisés en 2 types :

• jonction p-n ;
• Transistors TIR à grille isolée.

Le premier type contient une plaquette de semi-conducteur qui est reliée au circuit contrôlé par des électrodes sur des côtés opposés (drain et source). Un autre type de conductivité se produit après la connexion de la plaque à la grille. Une source de polarisation continue insérée dans le circuit d'entrée produit une tension de verrouillage à la jonction.

La source de l'impulsion amplifiée se trouve également dans le circuit d'entrée. Après la modification de la tension d'entrée, la figure correspondante à la jonction p-n est transformée. L'épaisseur de la couche et la section transversale de la jonction du canal dans le cristal qui permet le flux d'électrons chargés sont modifiées. La largeur du canal dépend de l'espace entre la région de déplétion (sous la grille) et le substrat. Le courant de commande aux points de départ et d'arrivée est contrôlé en modifiant la largeur de la région d'appauvrissement.

Le transistor TIR est caractérisé par le fait que sa grille est séparée de la couche de canal par un isolant. Dans le cristal semi-conducteur, appelé substrat, des sites dopés de signe opposé sont créés. Les conducteurs - le drain et la source - sont montés dessus, avec un diélectrique entre eux à une distance de moins d'un micron. Une électrode métallique - la grille - est placée sur l'isolant. En raison de la structure résultante contenant du métal, une couche diélectrique et un semi-conducteur, les transistors portent l'abréviation TIR.

Conception et fonctionnement pour les débutants

La technologie fonctionne non seulement avec une charge d'électricité, mais aussi avec un champ magnétique, des quanta de lumière et des photons. Le principe de fonctionnement d'un transistor réside dans les états entre lesquels le dispositif commute. Opposer petit et grand signal, état ouvert et fermé - c'est le double fonctionnement des appareils.

Avec le matériau semi-conducteur dans sa composition, utilisé sous la forme d'un monocristal dopé à certains endroits, le transistor a dans sa conception :

• des fils métalliques ;
• les isolants diélectriques ;
• Boîtier de transistor en verre, métal, plastique, métal-céramique.

Avant l'invention des dispositifs bipolaires ou polaires, les tubes à vide électroniques étaient utilisés comme éléments actifs. Les circuits développés pour eux sont, après modification, utilisés dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs. Ils pourraient être connectés comme un transistor et appliqués, car de nombreuses caractéristiques fonctionnelles des tubes à vide conviennent pour décrire le fonctionnement des appareils de terrain.

Avantages et inconvénients du remplacement des tubes par des transistors

L'invention des transistors est un moteur de l'introduction de technologies innovantes en électronique. Des éléments semi-conducteurs modernes sont utilisés dans le réseau et, par rapport aux anciens circuits à tubes, ces développements présentent des avantages :

• Petite taille et faible poids, ce qui est important pour l'électronique miniature ;
• la possibilité d'appliquer des processus automatisés à la production de dispositifs et de regrouper les étapes, ce qui réduit le coût de production ;
• Utilisation de petites sources de courant en raison de la faible tension requise ;
• activation instantanée, pas besoin de chauffer la cathode ;
• Efficacité énergétique accrue grâce à une dissipation d'énergie plus faible ;
• la robustesse et la fiabilité ;
• une interaction fluide avec les autres éléments du réseau ;
• résistance aux vibrations et aux chocs.

Les inconvénients se manifestent dans les dispositions suivantes :

• Les transistors au silicium ne fonctionnent pas à des tensions supérieures à 1 kW ; les lampes sont efficaces à des tensions supérieures à 1 à 2 kW ;
• Lors de l'utilisation de transistors dans des émetteurs de radiodiffusion ou UHF de forte puissance, les amplificateurs de faible puissance connectés en parallèle doivent être appariés ;
• Vulnérabilité des éléments semi-conducteurs aux signaux électromagnétiques ;
• Réponse sensible aux rayons cosmiques et aux radiations, nécessitant à cet égard le développement de microcircuits résistants aux radiations.

Diagrammes de commutation

Afin de fonctionner dans un circuit unique, un transistor nécessite 2 connexions d'entrée et de sortie. Presque tous les dispositifs à semi-conducteurs n'ont que 3 points de connexion. Pour sortir de cette situation difficile, l'une des extrémités est désignée comme commune. Il existe donc 3 schémas de connexion communs :

• pour un transistor bipolaire ;
• dispositif polaire ;
• avec drain ouvert (collecteur).

Une unité bipolaire est connectée à un émetteur commun pour l'amplification de la tension et du courant (OE). Dans d'autres cas, il harmonise les broches d'une puce numérique lorsqu'il y a une haute tension entre le circuit externe et le plan de connexion interne. C'est ainsi que fonctionne la connexion du collecteur commun, et il n'y a qu'une augmentation du courant (OK). Si une augmentation de la tension est nécessaire, l'élément est introduit avec une base commune (CB). Cette option fonctionne bien dans les circuits en cascade composés, mais est rarement utilisée dans les conceptions à un seul transistor.

Des dispositifs semi-conducteurs de champ de type TIR et à jonction p-n sont inclus dans le circuit :

• émetteur commun (JE) - une connexion similaire au JE d'un module bipolaire
• avec sortie commune (OC) - une connexion similaire au type OC
• avec porte partagée (SW) - similaire à l'OE.

Dans les plans à drain ouvert, le transistor est inclus avec un émetteur commun comme partie intégrante de la puce. La broche du collecteur n'est pas connectée à d'autres parties du module et la charge va au connecteur extérieur. Le choix des tensions et des courants collecteurs se fait après le montage du projet. Les dispositifs à drain ouvert fonctionnent dans des circuits avec des étages de sortie puissants, des pilotes de bus et des circuits logiques TTL.

A quoi servent les transistors ?

L'application est différenciée selon que le dispositif est un module bipolaire ou un transistor à effet de champ. Pourquoi les transistors sont-ils nécessaires ? Si des courants faibles sont requis, par exemple dans les plans numériques, on utilise les types de champ. Les circuits analogiques atteignent une linéarité de gain élevée sur une large gamme de tensions d'alimentation et de paramètres de sortie.

Les applications des transistors bipolaires comprennent les amplificateurs, les combinaisons, les détecteurs, les modulateurs, les circuits logiques à transistors et les inverseurs logiques.

Les domaines d'application des transistors dépendent de leurs caractéristiques. Ils fonctionnent en 2 modes :

• Dans la régulation des amplificateurs, changement de l'impulsion de sortie avec de petites déviations du signal de commande ;
• Dans l'ordre d'enclenchement, le contrôle de l'alimentation des charges lorsque le courant d'entrée est faible, le transistor est complètement fermé ou complètement ouvert.

Le type de module semi-conducteur ne modifie pas ses conditions de fonctionnement. La source est reliée à une charge, par exemple un interrupteur, un amplificateur de son, un appareil d'éclairage, il peut s'agir d'un capteur électronique ou d'un transistor voisin puissant. Le courant démarre le fonctionnement de l'unité de charge et le transistor est connecté dans le circuit entre l'unité et la source. Le module semi-conducteur limite la puissance absorbée par l'appareil.

La résistance à la sortie du transistor est transformée en fonction des tensions sur le conducteur de commande. Le courant et la tension au début et à la fin du circuit changent, augmentent ou diminuent et dépendent du type de transistor et de la façon dont il est connecté. La commande de l'alimentation contrôlée entraîne une augmentation du courant, une impulsion de puissance ou une augmentation de la tension.

Les deux types de transistors sont utilisés dans les applications suivantes :

1. Dans la régulation numérique. Des modèles expérimentaux de circuits amplificateurs numériques basés sur des convertisseurs numériques-analogiques (CNA) ont été développés.
2. Dans les générateurs d'impulsions. Selon le type d'appareil, le transistor fonctionne en ordre de clé ou en ordre linéaire pour reproduire des signaux rectangulaires ou arbitraires, respectivement.
3. Dans les dispositifs matériels électroniques. Protéger les informations et les programmes contre le vol, la falsification et l'utilisation illégale. Le fonctionnement est en mode clé, le courant est contrôlé sous forme analogique et régulé par la largeur d'impulsion. Les transistors sont utilisés dans les commandes de moteurs électriques, les régulateurs de tension à impulsion.

Les semi-conducteurs monocristallins et les modules d'ouverture et de fermeture des circuits augmentent la puissance, mais ne fonctionnent que comme des interrupteurs. Les transistors à effet de champ sont utilisés dans les dispositifs numériques en tant que modules rentables. Les techniques de fabrication du concept d'expériences intégrées impliquent la production de transistors sur une seule puce de silicium.

La miniaturisation des cristaux permet d'obtenir des ordinateurs plus rapides, moins gourmands en énergie et générant moins de chaleur.

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