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un cpu sur un wafer en silicium
Cet article fait partie d’une série d’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 laissant place à des « vides d’électrons » : des trous, chargés positivement (du fait du départ des électrons négatifs), 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 :

ABRsSRsS(bin)RsS(déc)
0000000
1001011
1110102

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.

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lavertus wrote:

Bonjour,

Il y a un problème avec le schéma de la porte ET "http://couleur-science.eu/img/d2/porteAND.png" : Dans cette configuration le potentiel en sortie sera toujours à la masse, il faut au moins mettre une résistance entre la sortie (émetteur du transistor B) et la masse pour que le comportement soit correct.

En tout cas merci pour ce site très instructif.

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Yoha wrote:

s/chères/chers

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Un article Wikipédia avec quelques tables pour se donner des idées sur le nombre de transistors: https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count.

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"de façon à former une suite N-PP-N : le transistor NPN ou une suite P-NN-P (donc PNP)."

Difficile à lire suite à l’asymétrie ; utiliser des parenthèses pour les deux faciliterait grandement la lecture.

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"Vous devinez peut-être la suite : que se passe-t-il si on branche plusieurs transistors à la suite, avec la sortie d’un transistor branché à la base d’un autre : ainsi, un transistor peut contrôler le suivant."

L'enchaînement des deux-points et la question non-interrogative rendent la lecture difficile.

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L'article est relativement clair et bien illustré. Dommage qu'il n'y ait pas eu d'explication du fonctionnement des diodes.

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letudiantmaieuticien wrote:

Encore merci Timo pour tes articles :) ça permet de renouer un peu avec la physique du lycée ^^


"en appliquant une petite tension à la base, le courant principal entre le collecteur et l’émetteur peur passer ;"

Et à la fin :

"de tous les composants"

;)

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bib wrote:

Je n'y comprenais rien au lycée... Mais là c'est tellement clair que c'en est très intéressant ! Merci beaucoup.

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damien wrote:
Merci pour la révision !
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moris wrote:

C'est vraiment clair, simple. Merci beaucoup pour ces explications qui montrent une grande qualité de pédagogue. C'est la difficulté du web, arriver à trouver des infos claires et complètes suffisamment simples pour être comprises par elles-mêmes sans besoin de clarifier autre chose en plein milieu. je n'ai jamais fait d'électronique et là, j'ai tout compris! Chapeau!

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jeanmarcjmc wrote:

Bonjour,
je suis tombé par hasard sur votre article et je vous félicite pour votre pédagogie.
Une petite remarque pourtant sur le schéma expliquant l'effet transistor dont la définition est "aspiration par la jonction bloquée (base-collecteur) des porteurs minoritaires circulant à travers la jonction passante (base-émetteur)". La base étant la zone la plus faiblement dopée des trois et la moins épaisse.
Le schéma me semblerait plus parlant si l'émetteur était relié au potentiel masse, illustrant ainsi le courant de porteurs majoritaires circulant entre base et émetteur. Les électrons,ne pouvant se recombiner dans cette base faiblement dopée,sont alors aspirés par la jonction bloquée - mais pour cela il faudrait inverser les polarités de la DDP entre collecteur et émetteur.
Ce qui correspond d'ailleurs au schéma de la porte ET, où le collecteur est au potentiel +5V contre 0,6V pour les bases.
Cordialement

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John Doe wrote:

Bonjour'

Très intéressant !

Cependant, n'y aurait-il pas une erreur sur le premier schéma dans la circulation des électrons ? Comme on le voit sur le schéma de la porte "et", le courant passe dans le sens collecteur-> émetteur. Les électrons étant chargés négativement, la circulation des e- est dans le sens opposé au courant : ils circulent donc dans le sens émetteur-collecteur , non ? Le transistor étant symétrique, cela n'impacte que les rôles respectifs du collecteur et de l'émetteur qui se trouvent inversés.

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Le Hollandais Volant wrote:

@John Doe : bonjour,
Le transistor est composé de façon symétrique : on peut le brancher dans le sens que l’on souhaite. C’est juste qu’on appelle « collecteur » la borne où entre les électrons et « émetteur » la borne d’où ils ressortent. La petite flèche sur le schéma n’a pas signification particulière, elle sert juste à placer le sens des bornes.

Dans tous les cas, les électrons sont bien "produits" par la borne « − » de l’alimentation

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Laurent wrote:

concrètement la borne B se connecte comment. On voit une masse sur les schémas, la borne B serait négative ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Laurent : la borne B, ici, est positive : elle doit attirer les électrons vers elle.
On doit donc lui brancher une tension positive.

En pratique, dans les processeurs, la Base d’un transistor est reliée à d’autres transistors, et ainsi de suite, ce qui permet de construire des assemblages conséquents.

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Cyril wrote:

Bonjour, tout d'abord félicitations pour votre article très clair et instructif.

J'aurais cependant une question, quand vous dites :
"À cause de cette tension positive sur la base, des électrons commencent par être retirés de la base."
Les électrons ne sont-ils pas plutôt attirés vers la base ? Ou alors ça signifie que les électrons quittent la partie dopée P ?
Merci de votre réponse. Bonne journée et bonnes fêtes.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Cyril : Les électrons de la région dopée P vont vers la base. Ceci débloque le « mur » d’électrons et les électrons peuvent aller de C vers E.

J’imagine qu’une petite partie des électrons de C vont aussi dans la base, mais la borne E est également sous tension, et attire lui aussi une partie (la majorité, en fait) des électrons.

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Saturne V wrote:

Félicitations pour les explications !

Je comprends maintenant le principe du transistor.

Merci encore ;)

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Maiki wrote:

Bonjour,

Est-ce le même principe de fonctionnement pour le transistor PNP ?

En vous remerciant

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Le Hollandais Volant wrote:

@Maiki : le principe de fonctionnement est identique, oui, la seule différence est qu’il faut le brancher à une tension négative, sur la base et sur le collecteur, pour qu’il soit passant (alors que le NPN doit être banché à une tension positive).

L’autre différence notable est que le NPN a comme porteur de charge les charges négatives (électrons). Le PNP a lui des porteurs de charges positifs, donc des « trous d’électrons » : une absence d’électrons sur un atome appelé « trou », et c’est ce trou qui se déplace d’atome en atome, et qui est représente une absence d’électron, donc comme une charge positive.

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goptjf wrote:

Bonjour, merci pour cette explication cependant j'ai une question quant à l'appellation collecteur/émetteur. J'ai lu quelque part que l'émetteur est défini comme l'électrode traversée par l'ensemble des courants, ainsi sur le schéma du fonctionnement du transistor NPN, les électrons circulant de gauche à droite, l'émetteur devrait se situer sur la gauche. Il me parait en effet plus cohérent, comme vous le dites, d'appeler collecteur la borne qui capte les électrons, cependant cette convention est en désaccord avec les représentations des transistors (npn et pnp) que j'ai pu voir sur internet, et celle qui définit l'émetteur comme l'électrode traversée par l'ensemble des courants est accord avec les représentations.

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ralph wrote:

Merci pour les explications.

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NatsuDragon wrote:

Merci pour cet excellent article qui permet d'en savoir plus sur les transistors !

J'aurais cependant une remarque concernant le schema de l’additionner avec les 5 portes logiques : les légendes écrites sur les portes ont l'air de ne pas correspondre a leur symbolique. En effet, si on effectue tel quel le calcul avec A=1 et B=1 en considérant le calcul le plus bas (bit de poids faible, donc Re= 0 dans tous les cas) on trouve S=1, ce qui est faux.

En revanche, si on lit les portes en suivant uniquement leur symbolique, le résultat est correct. Du coup, il faudrait dans ce schema remplacer les légendes :

"Non-OU" par "OU-exclusif"
"Non-ET" par "ET"
"OU-exclusif" par "OU"

Afin de correspondre aux formules classiques de l'additionneur :

S = (A ⊕ B) ⊕ Re
Rs = (A . B) + Re . (A ⊕ B)

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Le Hollandais Volant wrote:

@NatsuDragon :
Cet article est vieux, j’ai eu un peu de mal à m’y remettre, mais en effet, tel que c’est là, ça ne colle pas sur le plan logique, ni sur les symboles. Je vais modifier ça.

Merci beaucoup !


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