9 commentaires

On entend parfois parler de la « matière exotique » ou d’« atomes exotiques ». Je ne parlerais ici que de la seconde (le reste sera pour une autre fois).

Si les atomes normaux sont connus de tous, avec leurs protons, leurs neutrons et leurs électrons, les atomes exotiques sont des formations atomiques un peu particulières.
Je vais d’abord avoir besoin de faire un bref point sur les atomes ordinaires et le modèle standard de la physique quantique.

Les atomes

Je pense que tout le monde est plus ou moins familier avec ce tableau :

le tableau périodique
↑ Le tableau périodique des éléments — (source)

Toute la chimie, tous les objets, toute la biologie et la vie, vous et moi sont composé d’éléments présents uniquement dans ce tableau.

Si tous ces éléments présentent déjà beaucoup de curiosités, comme l’or et sa couleur, le plutonium ou le fer, présent dans le sang, ça n’est pas assez pour le scientifique fou dans son labo et on peut créer plein d’autres choses.

Les atomes exotique donc, c’est quelque chose de bien différent de ce que nous connaissons et, je vous le dis tout de suite, on ne risque d’en trouver ni dans la nature ni dans les magasins (en tout cas pas dans un futur proche et probablement pas dans notre univers).

Le modèle standard

En physique quantique, on parle du modèle standard pour définir et classer les différentes particules élémentaires de la matière qui existent :

les particules du modèle standard
↑ Les particules du modèle standard — (source)

On retrouve, tout en bas à gauche, l’électron.
Le proton et le neutron sont formés des quarks up et down (3 chacun : 2 up + 1 down et 1 up + 2 down respectivement). Enfin lors de la désintégration radioactive de certains atomes il est parfois émis un neutrino électronique. Ces quatre particules sont toutes dans la première colonne du tableau.

Maintenant, si on considère la dernière ligne, on voit que les caractéristiques spin et charge de l’électron, du muon et du tau sont identiques. Seule la masse (ou l’énergie) varie. Chaque ligne regroupe en fait des particules ne différant que par leur masse et chaque colonne regroupe les éléments par « génération » selon la masse ou l’énergie : la première colonne regroupe les basse énergie, la seconde d’énergie moyenne et la dernière de haute énergie.

Fait d’électrons, de protons et de neutrons, nos particules et notre monde correspondent à la basse énergie du modèle standard. Toute la physique que l’on observe, incluant ce qui se passe dans le tableau périodique, la chimie ou les centrales nucléaires et le cœur des étoiles concerne cette physique de basse énergie. La basse énergie est celle qui est la plus stable et c’est sûrement pour ça que notre univers est composé presque uniquement de ces particules là.

D’autres univers pourraient être fait des niveaux d’énergie supérieurs au notre, mais on n’a pas encore de quoi les observer. On observe en revanche des particules isolées de moyenne et haute énergie ! Par exemple, quand les rayons cosmiques très énergétiques frappent l’atmosphère, une partie de l’énergie est transformée en particules très massives : des muons.

Le muon est l’équivalent plus énergétique de l’électron, et, malgré sa durée de vie de seulement 2,2 µs, on est capable de faire des atomes avec !
C’est ce genre d’atomes, constitué d’un assemblage de particules que l’on n’a pas l’habitude de voir, qu’on nomme « atomes exotiques ».

Les atomes exotiques

L’hydrogène muonique


Je viens de le dire : il est possible de remplacer un électron par un muon, vu qu’il a la même charge.
Si l’on prend un proton que l’on associe à un muon, on obtient un atome d’hydrogène muonique.

Étant donnée que le muon est bien plus lourd que l’électron, le muon qui tourne autour du noyau est sur une orbitale bien plus proche de ce dernier et l’atome est beaucoup plus petit.

Cette particularité a plusieurs applications potentielles, comme la fusion nucléaire froide catalysée par muons. Normalement, pour faire fusionner des atomes, on doit les chauffer à des températures proches de ce que l’on trouve dans le cœur du Soleil (15 millions de degrés) si ce n’est beaucoup plus si on veut s’affranchir de la fusion probabiliste par effet tunnel, auquel cas il faut chauffer à près de 100 millions de degrés.
Ces températures sont nécessaires pour permettre à deux atomes et leurs noyaux de se rapprocher suffisamment pour fusionner. L’atome d’hydrogène muonique étant plus petit, il est plus simple de le fusionner et les températures requises sont moins hautes. L’un des plus gros problèmes pour un réacteur nucléaire à fusion froide catalysée par muons, c’est la durée de vue trop courte des muons (2,2 µs).

Le muonion


Les anti-particules sont opposées à nos particules selon divers caractéristiques quantiques dont la charge. Chaque particule se voit associer une anti-particule : l’électron avec son anti-électron (ou positron) ou le neutrino électronique avec l’anti-neutrino électronique sont les plus courantes car rencontrées dans la désintégration radioactive depuis longtemps.

Les muons ont aussi leur anti-particules : l’anti-muon. Sa charge est alors positive et est donc la même que le proton ou le positron.

Devinez quoi ? On peut remplacer un proton par un anti-muon ! Si on fait ça dans un atome d’hydrogène, on obtient un électron orbitant autour d’un anti-muon : le muonium.
Cet atome exotique, découvert déjà en 1960, possède même son propre symbole chimique : Mu (informel).

Cet atome exotique conserve (grâce à l’électron) les propriétés chimiques de l’hydrogène, et on a réussi à faire de l’eau muonique appelé hydroxyde muonique (HOMu), du chlorure de muonium (MuCl) ou du méthane contenant du muonium : le muoniométhane.

Encore une fois, tous ces atomes ont une durée de vie très courte à cause de l’anti-muon qui est très instable (et qui finit par se désintégrer spontanément après 2,2 µs en moyenne).

Les oniums : positronium et protonium


Un onium est une structure atomique où une particule chargée orbite autour de son anti-particule, de charge opposée (mais de masse identique).

Si l’électron orbite un positron, on obtient un atome de positronium. On a bien deux ici particules de charges opposées, mais contrairement à l’atome classique où le noyau est environ 1 000 fois plus lourd que l’électron on a ici une particule et son anti-particule de masse identique. Les deux sont donc pris dans une sorte de danse autour d’un barycentre commun :

le positronium
↑ Schéma du positronium — (source)

Comme le muonium, le positronium a été synthétisé (depuis 2007), elle possède un symbole « Ps » et on a prédit des molécules positroniques, où cet atome exotique remplace un atome d’hydrogène : le PsH, le PsCl, le PsLi ou encore le Ps2 ont été observées.
Ces molécules et le positronium lui-même sont très instables (durée de vie de 100 ns) et se terminent par une annihilation matière-antimatière.

À la place de l’électron, on peut prendre le proton et l’antiproton : l’atome exotique ainsi obtenu est le protonium, dont le symbole est pp (reprenant le symbole « p » du proton et le « p-barre » de l’anti-proton).
Cet atome exotique a la particularité d’être le théâtre d’une bataille entre l’interaction forte et l’interaction électromagnétique. Là aussi cet ensemble est très instable et se termine en annihilation matière-antimatière.

Le pionium


J’ai dit plus haut que le proton et le neutron sont chacun formés de 3 quarks. Ce sont dès lors des baryons.
Des assemblages de seulement 2 quarks sont appelés des mésons et on peut former des atomes exotiques avec des mésons !

L’une des catégories de mésons sont les mésons-π (Pi), qui existe en trois exemplaires : π⁺, π⁻, π⁰.
Quand on fait un atome exotique avec le méson-π⁺ et le méson-π⁻ orbitant l’un autour de l’autre, on obtient un pionium.

Considérant qu’il existe 2 formes de quarks de basse énergie (up et down) et que chacun possède sont antiparticules (anti-up et anti-down) et qu’on a la même chose pour les quarks d’énergie moyenne et élevée, on obtient toute une collection de mésons différent : pions (π⁺, π⁻, π⁰) kaons (K+, K−, K⁰ Ks⁰, Kl⁰), Êta (plusieurs variantes là aussi)… et autant d’anti-mésons. Tous sont susceptibles de former des atomes exotiques, même si très peu ont encore été synthétisées ou observées.

En plus du pionium, on peut parler de l’hydrogène kaonique : c’est un proton autour duquel il orbite un kaon K⁻. Si on avait deux kaons à charge opposée, on parlerait de kaonium, mais ils n’ont pas encore été observés.

Atomes hypernucléaires


Quand on regarde le tableau du modèle standard, on peut dire que le quark strange « s » est au quark down ce que le muon est à l’électron. Or, le quark down est un composant des nucléons que sont le neutron et le proton.
Vous le devinez : on peut faire un nucléon contenant un quark strange : ce sont alors des hypérons, comme le Σ (sigma), le Ξ (xi) ou le Ω (oméga).

Si cet hypéron est placé dans un atome à la place d’un nucléon, alors on obtient un atome hypernucléaire.

En raison de la forte masse (pour une particule, hein) des quark strange, ces derniers sont très compliqués à produire et aussi très instables (durée de vie de l’ordre de la nanoseconde) et finissent pas se désintégrer en énergie, mésons et baryons (protons et neutrons).


Je termine ma liste sur l’atome hypernucléaire, mais j’espère que ça vous a montré un peu l’ampleur des possibilités offertes par la physique des particules. Alors que le tableau périodique permet de voir tout le « bestiaire » de la chimie, le noyau de l’atome est à lui seul un autre monde rempli de quarks, qu’il est possible d’assembler en mésons, hypérons et d’autres particules et atomes exotiques. C’est un peu ce qu’ils font au Cern dans le LHC et dans les autres accélérateurs de particules dans le monde.

Lire la suite…

7 commentaires

i
Un googol est un nombre représentant une quantité, tout comme les quantités « dizaine » ou « centaine ». La particularité ici est que le googol est un nombre plutôt grand puisque c’est un 1 suivi de cent zéros.

On peut l’écrire et ça donne ceci : 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.
Mais pour des raisons évidentes, on l’écrit plutôt sous sa forme exponentielle : $10^{100}$.

Ce nombre est plus grand que le nombre d’atomes dans l’univers, qui est estimé à $10^{80}$.

Pour voir la grandeur de ce nombre, on peut par exemple utiliser les combinaisons ou les arrangements. Par exemple, en essayant de dénombrer toutes les parties possibles pour un jeu d’échec. Ce nombre a été calculé et vaut environ $10^{120}$, soit 100 milliards de milliards de googol.

C’est pas mal, non ?
Mais il y a mieux. Il y a le googolplex.

Un googolplex est un nombre encore plus grand : c’est un 1 suivi d’un googol de zéros. Un 1 suivi de $10^{100}$ zéros.

Je vous le dis tout de suite : il n’y a rien qui puisse être compté en googolplex. Ce nombre ne sert pas à grand chose, mais il est intéressant quand même, surtout quand on essaye de l’écrire (comme j’ai fait pour le googol un peu plus haut).

En fait, je vous laissez l’écrire en entier, moi je n’y arriverai pas.
Non, vraiment, je vous regarde.

Voici pourquoi je vous laisse faire : un googolplex est un nombre si immense que rien que pour l’écrire, le nombre d’atomes dans l’univers ne suffit pas. Il y plus de « 0 » dans l’écriture de ce nombre que d’atomes dans l’univers. Il faudrait environ cent milliard de milliard d’univers comme le nôtre pour avoir un atome par « 0 ».

Et encore, soyons bien clairs : tout ceci ne servira que pour écrire le googolplex ; et ça ne représente pas le googolplex lui-même !

La seule représentation possible, c’est celle avec les puissances : $10^{googol}$ ou $10^{10^{100}}$.
On peut également l’écrire de façon plus remarquable $10^{10^{10^{2}}}$.

Enfin, comme si ça ne suffisait pas, le googolplex n’est pas le plus grand nombre imaginé ou encore nommé.
Ok, il suffirait de parler de « deux googolplex » pour en faire un plus grand, mais d’autres nombres tels que le nombre de Graham ou le nombre de Skewes sont bien plus grands (mais moins marrants à prononcer, c’est vrai).

Oh et pour le dire : l’entreprise « Google » tire son nom de ce nombre, et le siège social de Google se nomme le Googleplex aussi. Mais ces derniers n’ont rien inventé de ce côté là :).

image de Håkan Dahlström

Lire la suite…

4 commentaires

une carte mémoire SD
Cet article fait partie d’un ensemble de trois articles :

Les précédents articles parlaient de la nature d’un semi-conducteur et son fonctionnement et comment on les utilisait pour créer des transistors.
Désormais on va voir comment utiliser les transistors pour faire un composant essentiel à nos ordinateurs et nos appareils numériques : la mémoire.

Les disquettes et les disques durs à plateau stockent l’information de façon magnétique : les octets sont écrits sous la forme de minuscules aimants sur le disque. En lisant les intensités du champ magnétique sur le disque, on retrouve alors nos octets initiaux.

Pour la mémoire flash, présente les clé USB, les cartes mémoire ou les lecteurs SSD, l’information est stockée à l’aide de transistors.

Ce qui est intéressant ici c’est que l’information stockée persiste électriquement au sein du composant même en l’absence d’alimentation électrique. Ceci est le contraire de la mémoire utilisée dans les barrettes de mémoire vive (RAM) qui perdent leur contenu quand l’ordinateur est hors-tension.

MOSFET à grille flottante (ou FGMOS)

À vos souhait.

Le MOSFET (pour Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, ou transistor à effet de champ à oxyde métallique) est un type particulier de transistor. Le fonctionnement de ces transistors est un peu différent mais l’effet obtenu est le même que celui que l’on a vu dans l’article précédent.

On a vu que la base du transistor est une borne qui permet de contrôler le transistor en lui appliquant une tension électrique. Pour le transistor à effet de champ, ce n’est plus un courant électrique qui vient « aspirer » les électrons qui bloquaient le courant principal, mais un champ électrique distant qui vient les attirer. La borne elle-même est isolée du circuit principal :

schématisation d’un transistor à effet de champ
Si la base n’est soumise à aucune tension, le transistor à effet de champ est bloquant.
Par contre, quand on applique une tension électrique sur la base, il va se créer un champ électrique assez puissant pour repousser les charges positives (les trous) et attirer toutes les charges négatives (les électrons). Il se forme donc une zone entièrement conductrice entre le collecteur et l’émetteur où le courant va pouvoir passer :

schématisation d’un transistor à effet de champ
Ici on a simplement reproduit l’effet transistor mais avec un système différent. Il n’y a pas encore d’effet mémoire.

Pour obtenir un système de mémoire, il faut aller plus loin : il faut ajouter un conducteur entre deux couches d’isolants, comme ceci :

schématisation d’un transistor à effet de champ à grille isolée
La partie en noir est un simple morceau de conducteur. On l’appelle « grille flottante » (floating gate) parce qu’elle est isolée du reste. C’est cette grille flottante qui va permettre l’effet mémoire.

La grille flottante : origine de l’effet mémoire

Si on ne considère que la grille flottante, elle peut être dans deux états :

  • chargée électriquement, en électrons (comme un condensateur) ;
  • non-chargée électriquement (neutre en charges).

Si cette grille est chargée en électrons, ces derniers vont repousser tous les électrons du semi-conducteur P. Si on applique une tension sur la base, la champ électrique produit ne suffira pas à attirer les électrons dans le bloc P, car la grille lui en empêche.

Au contraire, si la grille est neutre (déchargée) et qu’une tension est appliquée sur la base, le champ électrique pourra attirer les électrons de la partie P sans que ceux-ci soient repoussés : le transistor devient alors passant :

effet mémoire dans le transistor
L’intérêt de tout ça, c’est que puisque la grille est isolée électriquement, son état va persister sur le long terme : c’est là que se joue l’effet mémoire.

Lecture et écriture

Lecture dans la mémoire

La phase de lecture est assez rapide et plutôt simple : il suffit de voir si le transistor est bloquant ou passant.
En effet, le simple fait de connaître l’état du transistor permet de déduire l’état de la charge sur la grille flottante.

  • Le transistor est passant (bit = 1) : la grille est déchargée ;
  • Le transistor est bloquant (bit = 0) : la grille est chargée en électrons.

Et c’est tout ce qu’il y a à faire pour lire le contenu d’un seul bit d’une mémoire de type FG-MOSFET.

Écriture dans la mémoire

Pour l’écriture, c’est une toute autre histoire. En effet, la fonction mémoire est assurée par un composant électrique isolé du reste du circuit. À priori, modifier cette charge n’est pas possible. Mais il y a une astuce, et pour ça il faut faire appel à la physique quantique et l’effet tunnel.

En physique quantique, comme l’a montré Schrödinger, les électrons comme toutes les particules peuvent être vues comme une onde. Onde et particule sont en fait différentes approches pour visualiser une seule et même entité (un électron).

Un électron est alors modélisé par une fonction d’onde dont l’amplitude, fixe, correspond à son énergie. L’électron peut se déplacer tant qu’il ne rencontre pas un champ d’énergie plus élevé, qui constitue alors ce qu’on appelle « une barrière de potentiel [énergétique] » :

fonction d’onde face à une barrière de potentiel
(source)

Il se trouve que la couche d’isolant entre la grille flottante et la borne B constitue une barrière de potentiel de ce type : c’est la raison pour laquelle l’électron ne peut pas quitter la grille flottante en passant par la couche d’isolant.

Néanmoins, d’après l’équation de Schrödinger, la fonction d’onde ne s’arrête pas de façon nette devant la barrière de potentiel : en réalité, l’onde pénètre dans la barrière. Dans les fait, l’onde pénètre faiblement et son énergie décroît de façon exponentielle à l’intérieur de la barrière.

Ainsi, si la barrière de potentiel n’est pas épaisse, l’énergie de la fonction d’onde est non-nulle quand elle arrive de l’autre côté de la barrière de potentiel : l’électron arrive à s’échapper de l’autre côté :

fonction d’onde face à une barrière de potentiel de taille variable
Concrètement, dans la cas d’une barrière étroite, une partie de l’onde finit par s’échapper de l’autre côté de la barrière. De façon simplifiée, dans le cas de la grille flottante, c’est comme si des électrons traversent la couche d’isolant et finissent par décharger la grille flottante. Ce n’est pas ce qu’on veut.

Si on utilise une barrière plus large, alors l’onde s’affaiblit tellement face à la barrière de potentiel, que dans les faits, rien ne passe de l’autre côté : la grille peut alors rester chargée des années durant.

Ok, donc on sait qu’il faut utiliser une barrière large pour empêcher la mémoire de s’effacer avec le temps. On comprend qu’il faut donc utiliser une épaisseur suffisante d’isolant entre la borne de la base et de la grille. Mais comment on fait pour modifier la charge de la grille ?

Et bien on va réduire la barrière de potentiel lors de l’écriture et l’élargir pour le stockage à long terme, sans toucher à l’épaisseur physique de la couche d’isolant.

Pour parvenir à ça, on va appliquer une tension importante sur la base.

En simplifiant, ceci va élever le niveau d’énergie des électrons et déformer la barrière de potentiel pour qu’elle soit moins épaisse. Selon le signe de la tension (positive ou négative), les électrons passeront de la base vers la grille flottante (chargement de la grille) ou dans le sens inverse (déchargement), simplement par effet tunnel.

C’est donc un comportement issu purement de la physique quantique qui permet d’écrire dans la mémoire d’une clé USB.

Une autre solution (utilisé dans d’autres types de mémoire) est d’utiliser l’injection d’électrons chauds de la partie centrale P du transistor vers la grille flottante en leur donnant une vitesse (=énergie) suffisante pour leur permettre de traverser la couche isolante. Le qualificatif de « chaud » réfère l’énergie élevée des électrons.

Limites de ce type de mémoire

Si la lecture d’un bit de la mémoire est sans réelle contrainte technique, la phase d’écriture impliquent l’emploi de hautes tensions ou de conditions plutôt extrêmes pour le transistor. C’est là une des raisons qui fait que le nombre de cycles d’écriture des lecteurs SSD est limité.

Une autre limitation, c’est comme on a vu, le fait que la couche d’isolant doit être suffisamment épaisse pour éviter que les électrons ne s’échappent tout seuls de la grille. L’épaisseur de l’isolant constitue une des limites à la miniaturisation des composants.
Le même problème est d’ailleurs présent dans pratiquement tous les transistors, qu’ils soient dans un module mémoire ou pas : si l’architecture des transistors est trop petite, les électrons finissent par passer d’une borne à l’autre sans rien faire, simplement à cause de l’effet tunnel.

Mémoire NAND ou NOR ?

On a vu ce-dessus comment fonctionnent ou comment lire ou écrire un seul bit dans un seul transistor. Dans la réalité, la mémoire informatique vient sous la forme de modules avec plusieurs milliards de transistors. C’est la façon d’organiser ces transistors entre-eux qui varie selon le type de mémoire.

Si l’on utilise des transistors en série, on obtient de la mémoire NAND (nom donné à cause des portes NAND, où les deux transistors sont en série). Si on place les transistors en parallèle, on obtient de la mémoire NOR (dont le nom provient lui-aussi de l’analogie avec les portes NOR, où les deux transistors sont en parallèle).

Les deux types de mémoire ont chacun leurs avantages : la NOR est plus rapide mais la NAND permet une densité d’information plus importante.

Elles ont des applications différentes également : la mémoire NOR est utilisée quand la quantité d’information à stocker n’est pas grande ou bien si la vitesse est cruciale : mémoire cache des CPU (très rapide) ou mémoire des systèmes embarqués, par exemple. La mémoire NAND est utilisée dans les disques durs SSD, les clés USB et les cartes mémoire, là où la densité d’information est un facteur (commercial) important.

Pour aller plus loin

Maintenant que vous savez comment un semi-conducteur comme du silicium permet de former de transistors, et comment les transistors s’assemblent pour calculer et stocker de l’information, je vous invite à découvrir comment fonctionne la partie logicielle de l’informatique, c’est à dire le binaire, les programmes et la programmation. Vous trouverez tout ça dans l’excellente BD de Gee : Des zéros et des uns.

photo d’illustration de Silveira Neto

Lire la suite…

8 commentaires

Cet article fait partie d’un ensemble de trois articles :

Dans le premier article (que je conseille fortement de lire avant celui-ci) il est expliqué pourquoi certains éléments sont des semi-conducteurs, et comment ils fonctionnent. On voit la notion de dopage, c’est à dire l’inclusion d’autres éléments chimiques dans le semi-conducteur pour lui donner des propriétés électriques encore plus intéressantes !

Pour ce second article, on va voir comment ces semi-conducteurs peuvent former une diode, mais surtout le transistor, brique élémentaire de toute l’informatique moderne.

La Diode et le Transistor

La diode est l’équivalent beaucoup plus petite, pratique et robuste des anciennes ampoules à vide utilisées dans les premiers calculateurs binaires. Ces ampoules à vide étaient constituées d’une borne émettrice d’électrons et d’une autre borne qui les réceptionnait. L’ensemble était asymétrique et les électrons ne pouvaient passer que dans un seul et unique sens : le principe de la diode.

triiodes in vaccuum tube
Des diodes tripolaires (triiode) au format d’anciens tubes à vide (source)

Ces ampoules à vide étaient grandes, chauffaient et nécessitaient de hautes tensions électriques (> 2 000 V) ; bref, l’informatique méritait mieux que ça.
Depuis on a mis au point les circuits intégrés : ce sont des semi-conducteurs gravés qui font office de composants électroniques. Ces derniers sont désormais beaucoup plus petits, ne chauffent pas ou peu et sont bien moins fragiles et moins chers.

De nos jours, le transistor est tellement miniaturisé que votre ordinateur ou votre téléphone en contient plusieurs milliards sur une simple puce de silicium de la taille de votre ongle !

des transistors
Quelques exemples de transistors simples en tant que composants pour l’électronique (source)

La diode, comme son nom laisse penser (le « di- »), est composé de deux morceaux de semi-conducteurs : un morceau de semi-conducteur dopé P, et un morceau dopé N (on parle de diode PN).
Le transistor, lui, est un composant à trois bornes qui est composé de deux diodes PN collées dos à dos de façon à former soit une suite NPN) soit une suite PNP si on les accole dans l’autre sens. NPN et PNP sont deux types de transistors.

Anatomie d’un transistor

Comme je l’ai dit au dessus, le transistor est un tripôle correspondant à une juxtaposition de semi-conducteurs dopés N et P. Dans ce qui suit, on prendra comme base le transistor NPN en silicium.

Dans les faits, c’est un sandwich de silicium P entre deux tranches de silicium N :

shéma et symbole du transistor
Schéma et symbole du transistor

Le fait que l’on utilise des semi-conducteurs dopés différemment, on observe plusieurs phénomènes dans le transistor, notamment aux jonctions NP et PN.

Souvenez-vous, les semi-conducteurs dopés N sont surchargés d’électrons : le cristal de semi-conducteur contient des électrons « libres » entre les atomes. Les semi-conducteurs dopés P contiennent des trous d’électrons : des emplacements où se trouve une liaison cristalline mais où il manque un électron.
Aux jonctions, et uniquement aux jonctions, certains électrons de la partie N va aller boucher les trous de la partie P.

On se retrouve donc avec les jonctions qui se retrouvent à la fois sans électrons libres et sans trous : les électrons du N sont partis boucher les trous du P. Cette jonction ne contient donc plus de charges conductrices introduites grâce au dopage :

zones neutres du transistor
Ce déplacement d’électrons au sein du cristal de silicium dopé va générer des régions chargées au niveau des jonctions : les zones N vont devenir positives (le phosphore se trouve ionisé positivement, car son électron en trop est parti) et les zones P de l’autre côté vont se retrouver négatives (le bore va se retrouver ionisé négativement, car son trou est bouché par un électron).

Si les électrons et les trous ne participent plus à la conduction du courant au niveau de ces jonctions, ils représentent donc une différence de charge au niveau moléculaire :

créations de zones chargées dans le transistor
À ce stade, le transistor n’est pas encore branché dans un circuit : les zones chargées sur les jonctions sont présentes de façon naturelle au sein de la matière qui compose le transistor, simplement parce que des électrons se sont déplacés.
Ce phénomène de productions de zones chargées au niveau des jonctions est cruciale pour le fonctionnement du transistor. En fait, c’est là que naissent toutes les propriétés électroniques des transistors.

Fonctionnement d’un transistor

Voyons ce qui se passe quand on branche le transistor dans un circuit.

Le transistor dispose de trois bornes :

  • le collecteur ;
  • la base ;
  • l’émetteur.

Le collecteur et l’émetteur sont techniquement symétriques. La base est est un peu particulière.

Commençons par brancher le collecteur et l’émetteur dans un circuit et à mettre le courant (on considère que la base n’est reliée à rien du tout).

le collecteur et l’émetteur du transistor sont branchés
Les premiers électrons qui vont arriver au collecteur vont être naturellement attirés par la région positivement chargée près de la jonction NP.

Une fois que cette région sera occupée par les électrons, ces derniers vont se retrouver devant à un mur : ils seront repoussés par la région négative dans la partie P du transistor. Les électrons ne peuvent donc pas passer vers l’émetteur.

De l’autre côté, les électrons de l’émetteur finissent par être aspirés dans le circuit, mais ils sont également attirés par la région positivement chargée à la jonction PN. De ce fait, le courant ne passe pas là non plus.

À ce stade, le transistor bloque complètement la circulation du courant¹.

Maintenant, mettons la base du transistor sous tension et observons ce qui se passe :

transistor en mode passant
À cause de cette tension positive sur la base, des électrons commencent par être retirés de la base.

La conséquence de cela, c’est que les électrons du collecteur (à gauche) ne subissent plus de répulsion et ils peuvent maintenant se mettre à circuler entre le collecteur et l’émetteur.
En arrivant sur l’émetteur, les électrons vont boucher les trous (qui sont positifs), puis vont pouvoir passer dans le circuit.

La simple présence du courant sur la base suffit à supprimer la barrière d’électrons qui empêchait le courant principal entre le collecteur et l’émetteur de passer. Si on supprime ce courant de la base, les électrons qui vont arriver par le collecteur vont s’arrêter au niveau des trous dans la région P et finir de nouveau par bloquer le courant entre le collecteur et l’émetteur !

On a donc un comportement très particulier :

  • en appliquant une petite tension à la base, le courant principal entre le collecteur et l’émetteur peu passer ;
  • en supprimant cette tension à la base, le courant entre le collecteur et l’émetteur est coupé.

Ce comportement peut sembler anodin, mais il ne l’est pas : cet effet, parfois nommé effet transistor permet de contrôler un courant principal (circuit CE) avec un petit courant secondaire (sur la borne B). Il s’agit donc d’un sorte d’interrupteur électronique.

Le transistor est un interrupteur contrôlé électroniquement, sans partie mécanique.

Vous devinez peut-être la suite : si on branche plusieurs transistors à la suite, avec la sortie d’un transistor branché à la base d’un autre, on obtient un circuit où un transistor peut contrôler ceux qui le suivent. Avec un grand nombre d’enchaînements de ce type, on arrive à faire des circuits plus évoluées !

Les portes logiques

Le transistor est un petit interrupteur électronique. Si on branche plusieurs transistors ensembles, alors le comportement de l’ensemble du montage dépend de l’état de chaque transistor (bloquant ou passant). Si nos processeurs d’ordinateur comportent des milliards de transistors, commençons par quelque chose de basique, avec environ une dizaine de transistors : les portes logiques.

Si on met deux transistors en série, alors le second, quelque soit son état (bloquant ou passant), aura un comportement qui dépendra du premier.
Une chose est sûre cependant, c’est que pour que le second laisse passer le courant, il faut obligatoirement que le premier laisse passer le courant lui-aussi :

schéma d’une porte ET ou porte AND

  • si les entrée A et B sont nulles (tension nulle), alors la sortie est nulle ;
  • si A est nulle mais que B n’est pas nulle, alors la sortie est nulle ;
  • si B est nulle mais que A n’est pas nulle, alors la sortie est nulle ;
  • si A et B ne sont pas nulle, alors la sortie n’est pas nulle (la tension à la sortie est (ici) de 5 V).

On appelle ce dispositif une « porte ET », dans le sens où le courant passe uniquement si l’entrée A et l’entrée B sont sous tension.

Il existe aussi la porte OU, où le courant passe à la condition que l’une des entrées au moins est sous tension.

Les portes logiques dans ce genre existe sous plein de formes. On a vu ET, j’ai mentionné OU. Citons aussi la porte NON (dont la sortie est l’inverse de l’entrée), la porte NON-ET (qui inverse la sortie d’une porte ET), la porte NON-OU, la porte OU-Exclusif (qui est une porte où l’une des entrées seule doit être sous tension, mais surtout pas les deux).

Ces portes logiques permettent de comparer des entrées (A et B) : si les deux entrées sont à 0 V, alors la porte ET ou OU afficheront également 0 V en sortie. Mais la porte Non-OU ou Non-ET afficheront 5 V en sortie.

Ces portes constituent le début des fonctions opératoires de base en électronique.

Avec quelques-unes de ces portes logiques, on commence à faire des calculs encore plus évoluées. Par exemple, on peut faire un additionneur sur deux bits avec retenue à l’aide de seulement cinq portes logiques :

schéma d’un additionneur avec retenu
L’addition se fait ici en binaire. Si je branche les bornes A et B, j’obtiens en sortie l’addition de A et B :

table de vérité d’un montage additionneur sur 2 bits
La borne Re, c’est pour brancher la sortie Rs (la retenue) d’un montage précédent identique. En grand nombre, ces montages entiers mis bout à bout permettent de faire des additions binaires beaucoup plus grandes !
Différents agencements permettent de faire des convertisseurs, des multiplicateurs, des diviseurs… Toutes les fonctions mathématiques de base, en fait, et avec elles, toutes les applications imaginables dans les programmes d’ordinateur.

Croyez-le bien : en grand nombre et assemblés, ce genre de montages, composés uniquement de transistors en silicium dopé, sont à la base des processeurs et des composants actifs dans tous les ordinateurs, smartphones et systèmes numériques !

Dans le prochain article, je parlerai d’une fonction un peu particulière obtenue avec les transistors : la fonction mémoire. Des clés USB aux cartes mémoires en passant par les disques durs SSD, tous ces systèmes de stockage de données utilisent en effet des transistors pour stocker les données numériques sur le long terme.

ÉDIT : suite à une remarque, je l’ajoute quand-même : ici je n’ai présenté que le comportement en interrupteur contrôlé électroniquement. Il y d’autres applications à ça, comme le transistor amplificateur (qui n’est cependant qu’un effet secondaire au mode interrupteur).

Liens

Notes

  • ¹ – Évidemment, si on augmente la tension aux bornes C et E du transistor, le courant finira par passer quand-même : la différence de potentiel du circuit sera plus forte que les effets de répulsion qui empêchent les électrons de passer, mais dans ce cas là, ça correspondra au claquage du composant et résulterait également en sa destruction, ce qui n’est donc un comportement ni normal, ni souhaité.

Lire la suite…