Schema Transistors

Un transistor bipolaire est un dispositif électronique à  base de emi-conducteur de la famille des transistors.Son principe de fonctionnement est basé sur deux jonctions PN, l'une en direct et l'autre en inverse. La polarisation de la jonction PN inverse par un faible courant électrique (parfois appelé effet transistor) va permettre de commander un courant beaucoup plus important. C'est le principe de l'amplification de courant.
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La découverte du transistor bipolaire a permis de remplacer efficacement les tubes électroniques dans les années 1950 et ainsi d'améliorer la miniaturisation et la fiabilisation des montages électroniques.

Transistor point-contact

Réplique du premier transistor bipolaire inventé par deux chercheurs des laboratoires Bell et testé avec succès le 16 décembre 1947.
John Bardeen et Walter Brattain sous la direction de William Shockley avaient mis en place un groupe de travail sur les semi-conducteurs dès 1945.
Un premier prototype développé par Shockley ne fonctionna pas correctement et c'est avec l'aide des physiciens Bardeen et Brattain qu'il réussit à  détecter et corriger les divers problèmes liés aux champs électriques dans les semi-conducteurs. Le 16 décembre 1947, Bardeen et Brattain mirent en place un petit dispositif composé de germanium et de deux contacts en or qui permettait d'amplifier le signal en entrée d'un facteur 100. Le 23 décembre, ils le présentèrent au reste du laboratoire. John Pierce, un ingénieur en électricité, donna le nom de transistor à  ce nouveau composant qui fut officiellement présenté lors d'une conférence de presse à  New York le 30 juin 1948.

Transistor avec des jonctions PN

Peu après la découverte de Bardeen et Bartain, Shockley tenta une autre approche basée sur les jonction P-N, une découverte de Russell Ohl remontant à 1940.
Les travaux de Shockley ouvrirent la voie pour la réalisation des transistors bipolaires composés d'un sandwich NPN ou PNP. Toutefois, leurs fabrications posaient de réels problèmes car les semi-conducteurs étaient insuffisamment homogènes. Un chimiste du laboratoire Bell, Gordon Teal, mit au point en 1950 un procédé de purification du germanium .Morgan Sparks, Teal et d'autres chercheurs purent fabriquer des jonctions PN puis un sandwich NPN.

 

Amélioration des procédés de fabrication

Les deux années suivantes furent consacrées à  la recherche de nouveaux procédés de fabrication et de traitement du germanium. Le silicium était plus difficile à  travailler que le germanium en raison de son point de fusion plus élevé mais il offrait une meilleure stabilité devant les changements thermiques. Néanmoins, ce n'est pas avant 1954 que le premier transistor en silicium put être réalisé. En 1952, les premiers appareils avec des transistors furent commercialisés. Les laboratoires Bell imposèrent leur savoir-faire durant toute la décennie avec notamment la mise au point du masquage par oxyde par Carl Frosch .Cette technique offrait des perspectives nouvelles pour la fabrication en masse des transistors en silicium. La photolithographie sur les plaques de silicium, un procédé développé par Jules Andrus et Walter Bond en 1955, contribua fortement à  l'arrivée de nouvelles techniques d'usinage plus précises et efficaces. Encore aujourd'hui, la photolithographie constitue une étape cruciale dans la réalisation des transistors.

Types et Symboles

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PNP
NPN
Symboles de transistors bipolaires
Légende:B: Base - C: Collecteur - E: émetteur
Les catalogues de transistors comportent un nombre élevé de modèles. On peut classer les transistors bipolaires selon différents critères:
  • le type : NPN ou PNP. Ces deux types sont complémentaires, c'est-à -dire que le sens des courants et tensions pour le PNP est le complément de ceux du NPN. Les transistors NPN ayant en général des caractéristiques meilleures que le PNP, ils sont les plus utilisés. La suite de l'article discutera donc uniquement les circuits utilisant des transistors NPN
  • la puissance : les transistors pour l'amplification de petits signaux ne dissipent que quelques dizaines ou centaines de milliwatts. Les transistors moyenne puissance supportent quelques watts; les transistors de puissance, utilisés par exemple dans les amplificateurs audio de puissance ou dans les alimentations stabilisées peuvent supporter, à  condition d'être placés sur un dissipateur thermique adéquat, plus de 100W
  • la gamme de fréquence : transistors pour fréquences basses (fonctionnent correctement jusqu'à  quelques MHz), moyennes (jusqu'à  quelques dizaines de MHz), hautes (jusqu'à  quelques GHz), encore plus hautes (fréquences maximales d'oscillation de plusieurs centaines de GHz).
La figure ci-contre montre le symbole et indique le nom des 3 électrodes des transistors. On peut donc distinguer 3 différences de potentiel intéressantes : Vbe, Vbc et Vce ; et 3 courants : courant de base Ib, d'émetteur Ie et de collecteur Ic. Cependant, ces 6 variables ne sont pas indépendantes. En effet, on peut écrire :
Vce = Vcb + Vbe et Ie = Ic + Ib
Certains constructeurs proposent de nombreux réseaux de caractéristiques, mais cette tendance est en voie de disparition. De plus, il faut savoir que les paramètres typiques des transistors se modifient avec la température, et varient fortement d'un transistor à  l'autre, même pour le même modèle.

Principe de fonctionnement

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Principe physique du transistor NPN

Nous prendrons le cas d'un type NPN pour lequel les tensions Vbe et Vce et le courant entrant à  la base sont positifs.
Dans ce type de transistor, l'émetteur, relié à  la première zone N, se trouve polarisé à  une tension inférieure à  celle de la base, reliée à  la zone P. La diode émetteur/base se trouve donc polarisée en direct, et du courant (injection d'électrons) circule de l'émetteur vers la base.
En fonctionnement normal, la jonction base-collecteur est polarisée en inverse, ce qui signifie que le potentiel du collecteur est bien supérieur à  celui de la base. Les électrons, qui ont pour la plupart diffusé jusqu'à  la zone de champ de cette jonction, sont recueillis par le contact collecteur.
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Modèle simple d'un transistor en fonctionnement linéaire

Idéalement tout le courant issu de l'émetteur se retrouve dans le collecteur. Ce courant est une fonction exponentielle de la tension base-émetteur. Une très petite variation de la tension induit une grande variation du courant (la transconductance du transistor bipolaire est très supérieure à  celle des transistors à  effet de champ).
Le courant des trous circulant de la base vers l'émetteur ajouté au courant de recombinaison des électrons neutralisés par un trou dans la base correspond au courant de base Ib, grossièrement proportionnel au courant de collecteur Ic. Cette proportionnalité donne l'illusion que le courant de base controle le courant de collecteur. Pour un modèle de transistor donné, les mécanismes de recombinaisons sont technologiquement difficiles à maitriser et le gain Ic / Ib peut seulement être certifié supérieur à  une certaine valeur (par exemple 100 ou 1000). Les montages électroniques doivent tenir compte de cette incertitude (voir plus bas).
Lorsque la tension collecteur-base est suffisamment positive, la quasi totalité des électrons est collectée, et le courant de collecteur ne dépend pas de cette tension; c'est la zone linéaire. Dans le cas contraire, les électrons stationnent dans la base, se recombinent, et le gain chute; c'est la zone de saturation.

Principes de conception

à première vue, le transistor bipolaire semble être un dispositif symétrique, mais en pratique les dimensions et le dopage des trois parties sont très différents et ne permettent pas d'inverser émetteur et collecteur. Le principe du transistor bipolaire repose en effet sur sa géométrie, sur la différence de dopage entre ses différentes régions, voire sur la présence d'une hétérojonction.
Le courant des trous de la base vers l'émetteur doit être négligeable par rapport au courant d'électrons venus de l'émetteur. Cela peut être obtenu
avec un dopage très élevé de l'émetteur par rapport au dopage de la base. Une hétérojonction peut aussi bloquer complètement le courant de trous, et autoriser un dopage élevé de la base.
Les recombinaisons des électrons (minoritaires) dans la base riche en trous doit rester faible (moins de 1% pour un gain de 100).
Cela impose que la base soit très fine.
La surface de collecteur est souvent plus grande que la surface de l'émetteur, pour assurer que le chemin de collection reste court (perpendiculaire aux jonctions)

Modèle d'Ebers-Moll

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Modéle d'Ebers-Moll d'un transistor en fonctionnement linéaire
Le modèle d'Ebers-Moll résulte de la superposition des modes Forward et Reverse.
Il consiste à  modéliser le transistor par une source de courant placée entre le collecteur et l'émetteur.
Cette source de courant comporte deux composantes, commandées respectivement par la jonction BE et la jonction BC.
Le comportement des deux jonctions est simulé par des diodes.

Caractéristiques électriques

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Caractéristiques idéalisées d'un transistor bipolaire
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Caractéristique Ic/Vbe d'un transistor bipolaire
La figure ci-contre montre l'allure de la caractéristique Ic / Vce. L'on distingue deux zones principales :
  • zone de saturation, pour des tensions Vce ; 1V ; dans cette zone, Ic dépend à  la fois de Vce et de Ib ;
  • zone linéaire : le courant collecteur est quasi indépendant de Vce, il ne dépend que de Ib.
Lorsque le transistor travaille dans la zone linéaire, il peut être considéré comme un amplificateur de courant : le courant de sortie, Ic est proportionnel au courant d'entrée, Ib. Le rapport Ic/Ib, appelé gain en courant du transistor, est une des caractéristiques fondamentales de celui-ci, il est généralement noté par la lettre grecque β. Le β du transistor illustré vaut 100. Il est important de tenir compte du fait que, pour un transistor donné, β augmente avec la température. Par ailleurs, les β de transistors de même type présentent une grande dispersion. Cela oblige les constructeurs à  indiquer des classes de gain. Si l'on prend par exemple un transistor très répandu comme le BC107, le gain en courant varie de 110 à  460. Le constructeur teste alors les transistors après fabrication et ajoute une lettre après le numéro, pour indiquer la classe de gain A, B, C...
La figure Ic/Vbe montre que, pour un transistor travaillant dans la zone de saturation, la tension Vbe varie fort peu. En dessous de Vbe = 0,65V, le transistor ne conduit pas. Lorsqu'on dépasse cette valeur, appelée tension de seuil, le courant collecteur augmente exponentiellement. On démontre ainsi que le courant collecteur Ic est égal à , o๠Is correspond au courant de saturation de la jonction émetteur base et VEA la tension d'Early.
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En pratique, Vbe est généralement compris entre 0,65V (pour des Ic de quelques mA) et 1V (pour les transistors de puissance parcourus par un Ic important, pe. 1A).
Outre le gain en courant, on utilise certaines autres caractéristiques électriques pour qualifier le fonctionnement d'un transistor :
sa fréquence de transition FT, caractéristique de sa vitesse de fonctionnement (produit gain-bande accessible) ; plus le transistor est capable d'atteindre une transconductance élevée pour une capacité faible, plus la fréquence de transition est grande ; grà¢ce aux progrès technologiques, on atteint ainsi de nos jours des FT de plusieurs dizaines de gigahertz. Les transistors bipolaires sont en cela supérieurs aux transistors à  effet de champ.
sa tension d'Early VEA, d'autant plus grande que le transistor se comporte comme une source idéale de courant ; la résistance émetteur-collecteur correspond au ratio entre la tension d'Early et le courant collecteur.
sa transconductance (gain tension-courant ou pente du composant actif), directement liée au courant collecteur (en première approximation, elle vaut gm = Ic / Vth o๠on a la tension thermique Vth = kT / q).Biensur, chaque transistor étant prévu pour fonctionner correctement dans une certaine plage de courant, il est inutile d'augmenter le courant au delà  d'une certaine limite pour accroitre le gain.

Principes généraux de mise en oeuvre

Comme les paramètres d'un transistor (et tout particulièrement le β) varient avec la température et d'un transistor à  l'autre, il n'est pas possible de calculer les propriétés des circuits (gain en tension...) avec grande précision. Les 4 principes fondamentaux donnés ci-dessous permettent de simplifier les calculs.
  • Les courants collecteur et émetteur d'un transistor peuvent être considérés comme égaux, sauf en cas de saturation poussée.
  • Pour qu'un courant Ic circule dans le transistor, il faut lui fournir un courant de base égal (pour un fonctionnement dans la zone linéaire) ou supérieur (pour un fonctionnement dans la zone de saturation) à  Ic/β.
  • Lorsque le transistor est conducteur, la tension base-émetteur Vbe est comprise entre 0,6 et 1V.
  • La tension collecteur-émetteur a peu d'influence sur le courant collecteur tant qu'on travaille dans la zone linéaire des caractéristiques.
La loi suivante est utile pour les montages plus élaborés.
Pour deux transistors identiques à  même température, une même tension Vbe définit un même courant Ic.

Montages amplificateurs

D'une façon générale, on peut distinguer deux grands types de fonctionnement des transistors :
  • fonctionnement dans la zone linéaire des caractéristiques ; il est utilisé lorsqu'il s'agit d'amplifier des signaux provenant d'une source ou d'une autre (microphone, antenne...);
  • fonctionnement en commutation : le transistor commute entre deux états, l'état bloqué et l'état saturé (Vce faible, c'est le point A) . Les circuits rapides évitent cet état A, qui correspond à  un excès de porteurs dans la base, car ces porteurs sont longs à  évacuer, ce qui allonge le temps de commutation de l'état saturé vers l'état bloqué.
Dans les paragraphes qui suivent, nous discuterons le fonctionnement du transistor comme amplificateur. Le fonctionnement en commutation est discuté en fin de l'article.

Polarisation

La polarisation permet de placer le point de repos du transistor (état du transistor lorsque l'on ne lui applique aucun signal) à  l'endroit souhaité de sa caractéristique. La position de ce point de repos va fixer les tensions et courants de repos notés et ainsi que la classe de l'amplificateur (A,B, AB ou C).
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Du fait des capacités de liaison et de découplage, la relation courant/tension en sortie des montages à  transistor est souvent différente entre les régimes statique et dynamique. Afin d'étudier le comportement du montage lors du régime statique et du régime dynamique, on calcule les droites de charge dans ces deux cas. Le point de polarisation du montage se situe à  l'intersection de ces deux caractéristiques.

Droite de charge statique

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Schéma de polarisation simple d'un transistor bipolaire

La façon la plus simple de polariser un montage de type émetteur commun est représentée sur le schéma ci-contre. L'emetteur est à  la masse, la base est reliée a la tension d'alimentation Vcc par l'intermédiaire de R1, le collecteur est relié a Vcc par l'intermédiaire de R2. Pour des raisons de simplifications, le montage n'est pas chargé. Les relations entre les résistances R1 et R2 et les différentes tensions sont les suivantes :
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la formule peut etre réécrite comme ceci
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Ce schéma simple souffre toutefois d'un grand défaut : les résistances calculées dépendent fortement du gain en courant β du transistor. Or, ce gain en courant change d'un transistor à  l'autre (et cela même si les transistors possèdent les mêmes références) et varie fortement en fonction de la température. Avec un tel montage, le point de polarisation du transistor n'est pas maitrisé. On lui préfère donc des montages plus complexes mais dont le point de polarisation dépend moins du gain en courant β du transistor.
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Schéma pratique de polarisation.

Pour éviter ce problème, on a recours au schéma complet indiqué ci-dessous. Les résistances R1 et R2 forment un diviseur de tension qui fixe non plus le courant base mais la tension entre base et le zéro. La relation entre les courants et tension peut s'écrire ainsi :
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avec :
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et
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Si Req est petit devant (β + 1)R4, la relation courant/tension peut s'écrire :
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Le courant de polarisation est alors indépendant du gain en courant β du transistor et est stable en fonction de la température. Cette approximation revient aussi à  choisir R1 et R2 de façon à  ce que le courant qui les traverse soit grand devant Ib0 . Ainsi, la tension appliquée à  la base du transistor dépend peu du courant de base Ib0.
La droite de charge statique est une droite tracée dans la figure qui donne Ic en fonction de Vce. Elle passe par le point Vcc sur l'axe des x, et le point Vcc/(R3+R4) sur l'axe des y. Pour une tension d'alimentation, une charge R3 et une résistance d'émetteur R4 données, cette droite de charge indique le point de fonctionnement.

Caractéristiques dynamiques

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schéma d'un montage émetteur commun.

Le schéma complet d'un amplificateur à  émetteur commun est représenté sur la figure ci-contre. Comparé au schéma utilisé lors du calcul du point de polarisation, le schéma utilisé comporte en plus les condensateurs de liaison C1 et C2, la capacité de découplage C3 ainsi qu'une charge Rl.
Les condensateurs de liaison empêchent les tension et courant continu de se propager dans tout le montage et de se retrouver en entrée et en sortie ou de modifier la polarisation des autres montages présents dans le circuit final. Les capacités de découplage permettent d'enlever certains composants (ici R4) du montage dans une certaine gamme de fréquence.
La valeur des condensateurs de couplage C1 et C2 est choisie de façon à ce que ceux-ci aient une impédance suffisamment faible dans toute la gamme des fréquences des signaux à  amplifier :
  • par rapport à  la résistance d'entrée de l'étage pour le condensateur C1 ;
  • par rapport à  la résistance de charge pour le condensateur C2 ;
La valeur de C3 choisie de façon à  ce que son impédance soit faible comparée à  celle de R4 dans la gamme de fréquence désirée.
Les condensateurs C1, C2 et C3 n'avaient pas été représentés jusqu'à présent, car ils possèdent une impédance infinie au continu. La charge Rl n'était, elle aussi, pas présente car le condensateur C2 empêchait le courant continu dà» à  la polarisation de la traverser et donc d'influencer les caractéristiques statiques du montage.
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Schéma équivalent petits signaux d'un montage émetteur commun en basses fréquences

Afin de calculer les caractéristiques du montage en régime dynamique, on a recours à  un modèle petits signaux du transistor. Ce modèle permet de décrire le comportement du transistor autour de son point de polarisation. Le modèle utilisé ici est le plus simple possible. Il modélise le transistor gràçe a une résistance Rbe et une source de courant dont l'intensité est proportionnelle au courant de base. Si l'on désire une modélisation plus fine du transistor, il faut utiliser un modèle plus complexe (Ebers-Moll par exemple). La résistance Rbe modélise la pente de la droite Vbe(Ib) au point de polarisation et se calcule comme suit :
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avec : Vt la tension thermique, k la constante de Boltzmann, q la charge élémentaire , et T la température du transistor en kelvins.a température ambiante Vt vaut 25mv
Avec ce modèle, on obtient facilement :
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Ic = βIb
Si on note G le gain en tension de l'étage et S, sa transconductance. on obtient :
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La transconductance peut être définie comme suit : c'est la variation du courant collecteur due à  une variation de la tension base-émetteur ; elle s'exprime en A/V. Elle est essentiellement déterminée par le courant continu d'émetteur Ie (fixé par le circuit de polarisation).

Puissance dissipée dans le transistor

Pour un montage amplificateur en classe A, la puissance dissipée dans le transistor vaut :
P = Vce.Ic + Vbe.Ib
o๠Vce et Vbe sont les différences de potentiels continues entre le collecteur et l'émetteur, la base et l'émetteur, et Ic, Ib sont respectivement les courants de collecteur et de base. Cette puissance ne varie pas lorsqu'un signal est appliqué à  l'entrée de l'amplificateur. Comme le gain en courant (béta) du transistor est généralement très élevé (quelques dizaines à  quelques centaines), le second terme est généralement négligeable.
Pourquoi calculer la puissance dissipée dans le transistor ? , Pour évaluer la température de la jonction ce du transistor, qui ne peut dépasser environ 150°C pour un fonctionnement normal de l'amplificateur.
La température de jonction sera calculée à  l'aide de la Loi d'Ohm thermique.
Dans notre exemple, la puissance dissipée dans le transistor vaut 4.2.10-3 + 0,65.20.10-6 = 4.2mW. La température de la jonction, si la température ambiante est de 25°C et la résistance thermique jonction-ambiance de 500°C/W, vaut 25 + 500.4,2.10-3 soit 27,11°C.

Le transistor en commutation

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Montage d'un transistor pour fonctionnement en commutation
On appelle fonctionnement en tout-ou-rien, un mode de fonctionnement du transistor o๠ce dernier est soit bloqué, soit parcouru par un courant suffisamment important pour qu'il soit saturé (cà d. Vce réduite à  moins d'1V). Dans la figure ci-contre, lorsque l'interrupteur Int est ouvert, Ib est nul, donc Ic est nul et Vc = Ucc (point B sur les caractéristiques du transistor). Par contre, lorsque l'on ferme Int, un courant (Ucc - Vbe) / RB circule dans la base. Le transistor va donc essayer d'absorber un courant collecteur Ic égal à  Î².Ib. Cependant, généralement, la charge RL est choisie pour que Ic soit limité à  une valeur inférieure à  Î².Ib, typiquement 10.Ib. Le transistor est alors saturé (point A sur les caractéristiques).

Puissance dissipée dans le transistor

La puissance dissipée dans le transistor peut être calculée par la formule :
P = (Vce.Ic + Vbe.Ib).RC

Transistor bipolaire à grille isolée

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Symbole usuel de l'IGBT
Le transistor bipolaire à grille isolée IGBT est un dispositif semi-conducteur de la famille des transistors qui est utilisé comme interrupteur électronique, principalement dans les montages de l'électronique de puissance.
Ce composant, qui combine les avantages des technologies précédentes 'est-à-dire la grande simplicité de commande du transistor à effet de champ par rapport au transistor bipolaire, tout en conservant les faibles pertes par conduction de ce dernier ?a permis de nombreux progrès dans les applications de l'électronique de puissance, aussi bien en ce qui concerne la fiabilité que sur l'aspect économique.
Les transistors IGBT ont permis d'envisager des développements jusqu'alors non viables en particulier dans la vitesse variable ainsi que dans les applications des machines électriques et des convertisseurs de puissance qui nous accompagnent chaque jour et partout, sans que nous en soyons particulièrement conscients:
  • automobiles
  • trains
  • métros
  • bus
  • avions
  • bateaux
  • ascenseurs
  • électroménager
  • télévision
  • domotique

Historique

La première tentative concernant ce composant est sa réalisation en composants discrets, avec un transistor à effet de champ de faible puissance commandant un transistor bipolaire de puissance (montage BipMos). Le but est de simplifier les circuits de commande inhérents aux applications des transistors de puissance en commutation, fort complexes dans les années 1970-1980.
La technologie IGBT a été brevetée aux États-Unis le 14 décembre 1982 par Hans W. Beck et Carl F. Wheatley, Jr., sous le nom de Power MOSFET with an Anode Region (Brevet N°:4,364,073)
.
C?est une technologie récente, qui succède aux thyristors, aux transistors Darlington et aux thyristors GTO.
La première génération de transistors IGBT présentait d'importants problèmes de verrouillage (ou latching), qui ont été corrigés dans la deuxième génération apparue au début des années 1990. La fin du siècle a connu trois nouvelles générations de transistors IGBT, qui ont augmenté les performances pour des courants et des tensions importants (IGBT à structures trench, CSTBT.
Les caractéristiques de l'IGBT font que dans les années 2000 il s?est largement imposé dans tous les domaines de l'électronique de puissance face aux autres types de composants pour les gammes de tension 600 V à 3300 V et qu?il perce dans les tensions supérieures face au GTO, ainsi que dans les tensions inférieures face au MOSFET,bien qu'il soit plus lent.

Caractéristiques

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Schéma équivalent de l'IGBT
l'IGBT est un transistor hybride, regroupant un transistor à effet de champ du type MOSFET en entrée et un transistor bipolaire en sortie. Il est ainsi commandé par la tension de grille (entre la grille et l'émetteur)qui lui est appliquée, mais ses caractéristiques de conduction (entre collecteur et émetteur) sont celles d'un bipolaire. Le schéma équivalent du transistor IGBT ci-contre montre un troisième transistor, qui représente en fait une propriété parasite responsable du latching.
Cette structure lui donne le faible coût énergétique de commande d'un MOSFET,avec les pertes de conduction plus faibles (à surface de puce donnée) d'un bipolaire. De plus, les IGBT peuvent gérer une tension bien plus élevée que celle gérée par les MOSFET.

Conductance

La conductance est définie par la résistance du transistor lorsque celui-ci est passant :on l'appelle aussi Ron dans le cas d'un FET ou VCEsat pour un bipolaire. C?est une caractéristique importante car elle détermine l'échauffement du composant en fonction du courant Ice: plus le VCEsat est faible,plus le courant admissible peut être fort. Dans le cas de l'IGBT, la conductance est minimisée par l'utilisation d'un transistor bipolaire en sortie, et par l'optimisation de la saturation de celui-ci. Pour cela, il est possible de diminuer le Ron du MOSFET d'entrée, et d'augmenter le gain du transistor bipolaire. Cependant un gain trop important entrainera un risque élevé de latching
Les dernières technologies SPT (Soft-Punch-Through), dites SPT+, permettent de diminuer encore la chute de tension directe VCEsat de l'ordre de 25 à 30 %.

Commutation

La faiblesse de l'IGBT (comparé au MOSFET) résulte essentiellement dans sa vitesse de commutation, notamment lors du passage de l'état passant à l'état bloqué : les trous présents dans la zone d'épitaxie N-(Drift zone) doivent se recombiner ou être évacués lorsque la tension de la grille passe en dessous du seuil de commutation. La technologie PT possède une zone tampon (buffer) à proximité de la zone de drift pour accélérer l'absorption des trous. Les transistors IGBT-PT seront donc plus rapides, mais auront une tension VCEsat plus élevée.
Les fréquences de commutation maximales peuvent être notablement augmentées par l'utilisation de circuits d'aide à la commutation passifs dissipatifs), mais surtout actifs (non dissipatifs), de type ZVS (Zero Voltage Switch, commutation au zéro de tension), ZCS (Zero Current Switch,commutation au zéro de courant) ou autres. Ces circuits, en assurant des commutations douces, permettent une diminution drastique des pertes de commutation, tout en facilitant grandement la mise en conformité des équipements concernant la compatibilité électromagnétique. Néanmoins, du fait de leur complexité et de leur coût, ils sont encore peu utilisés dans les fortes puissances.

Verrouillage

l'IGBT présente quatre couches N-P-N-P qui peuvent sous certaines conditions devenir passantes à la manière d'un thyristor, du fait de la présence du transistor parasite entre émetteur et base du transistor bipolaire principal (voir le schéma équivalent ci-dessus): c?est l'effet latch-up (verrouillage). Dans ces conditions le transistor restera passant, avec effets destructifs, jusqu'à ce que l'alimentation soit coupée. Les constructeurs sont parvenus à diminuer ce problème majeur du transistor IGBT, et ce de différentes manières: réduction de la transconductance du transistor bipolaire de sortie, utilisation de nouvelles technologies de gravure comme l'IGBT Trench. Ces évolutions, ainsi que l'amélioration des processus de commande de grille, font que le phénomène de verrouillage est actuellement bien maîtrisé et ne pose plus de problèmes au développement de l'utilisation industrielle de l'IGBT.

Aire de sécurité

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L'aire de sécurité ou zone de fonctionnement sûr ou SOA (qui est le sigle anglais pour Safe Operating Area) désigne les zones de fonctionnement autorisées du transistor dans le plan courant-tension. Dans ces zones, le transistor peut travailler sans subir de dommages dans les périodes où à la fois un courant important traverse le semi-conducteur et une tension importante est présente à ses bornes, c?est-à-dire en dehors du fonctionnement saturé (conducteur et faible chute de tension). Dans tous les cas ces zones de fonctionnement ne peuvent être que transitoires, car les puissances dissipées en valeurs instantanées sont de plusieurs ordres de grandeur au-dessus de la puissance admissible nominale du composant. On distingue trois phases critiques:
  1. le court-circuit.Il s?agit de la zone dite de SCSOA (pour Short Circuit SOA) ou aire de sécurité de court-circuit. Lorsque la charge commandée par le transistor est en court-circuit, le courant demandé est en théorie infini. En pratique, le courant ICE dans le transistor est limité par la tension VGE sur la grille et la valeur de la transconductance, ainsi que par le circuit extérieur. Le risque pour l'IGBT est alors le verrouillage .Suivant la famille utilisée ce risque est minimisé au détriment de la transconductivité ou du VCEsat. Certains IGBT ont un circuit interne de limitation du courant de court-circuit à quelques multiples du courant nominal.
  2. la commutation ON-OFF avec une charge inductive. Il s?agit de la zone dite de RBSOA (pour Reverse Bias SOA) ou aire de sécurité inverse. Lors de cette phase de transition on passe d'un état où un courant stable (et important) ICE est établi dans la charge et dans le transistor à un état où le transistor est bloqué. La tension VCE croit alors de quelques volts à la tension d'alimentation augmentée de la FCEM de la charge inductive. Cette FCEM doit être limitée, par exemple, par une diode dite de roue libre à ses bornes. Durant cette phase le courant est constant ? car lorsque la charge est inductive, elle tend à s'opposer à la variation de courant ceci jusqu'à la fin de la recombinaison des porteurs et au blocage de la jonction par augmentation de la barrière de potentiel. Il s?ensuit un risque de claquage du composant par formation de points chauds localisés et embalement thermique; ce phénomène est connu pour les transistors bipolaires de puissance sous le nom de second claquage (Second Break Down en anglais). Les IGBT sont cependant beaucoup plus robustes que les bipolaires pour la tenue en aire de sécurité inverse. Des circuits d'aide à la commutation au blocage, en dérivant le courant de la charge inductive (dans un condensateur auxiliaire par exemple) pendant la période de blocage autorisent une commutation à pertes quasi-nulles pour le silicium et évitent le risque de second claquage.
  3. l'utilisation du transistor en mode linéaire. L'étude de cette phase présente un intérêt plus limité, car ce n'est pas le mode de fonctionnement usuel de l'IGBT. Une attention particulière sur ce mode de fonctionnement est cependant nécessaire lors de la mise en ?oeuvre des circuits de protection du composant contre les court-circuits.

Transconductance

La transconductance d'un IGBT est le rapport entre le courant de sortie et la tension d'entrée. Ce rapport dépend de nombreux paramètres, notamment la taille du transistor, la température ou le courant de sortie. Contrairement aux transistors bipolaires, les MOSFET et les IGBT n'ont pas un gain de transconductance qui chute avec le courant de sortie.

Performances

Le tableau suivant montre les performances typiques de quelques produits du marché des transistors.
Il dégage la tendance générale:
  • le VCEsat augmente et la fréquence d'utilisation diminue quand la tenue en tension augmente;
  • les MOSFET et les GTO deviennent concurrentiels aux extrémités de la gamme.

Structure

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Vue en coupe d'une cellule élémentaire (planar, PT)
La structure d'un IGBT est basée sur celle d'un MOSFET vertical doublement diffusé : l'épaisseur du support est utilisée pour séparer le drain de la source.Les épaisseurs typiques des wafers sont de l'ordre de 70 à 100µm. Une zone dite d'épitaxie, dopée N-, permet l'apparition d'un canal lorsque des électrons sont injectés par la grille (VG>0, état passant).
La technique de double diffusion est utilisée pour créer les puits dopés P/P+ à proximité de la source. La présence d'une région dopée P+ diminue le risque de latchup, tout en augmentant la tension de seuil de commutation.
La différence principale entre un MOSFET vertical et un IGBT est l'existence d'une couche de substrat P+ (fortement dopée) côté drain/collecteur. Cette couche injecte des trous dans la couche N-, ce qui a pour effet de diminuer la chute de tension à l'état passant et de le transformer en transistor bipolaire.
À l'état bloqué, c?est la couche N- qui supporte la tension. Cette tension maximale sera d'autant plus importante que la couche N d'épitaxie sera peu dopée et/ou épaisse.
À l'état passant, le courant sera limité par la largeur du canal. Les structures verticales permettent la mise en parallèle de plusieurs cellules élémentaires, de façon à augmenter le courant admissible et diminuer la résistance à l'état passant RDSon.

Les différentes structures d'IGBT

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Section d'un IGBT Non Punch Through                                  Section d'un IGBT Punch Through




l'IGBT NPT à grille plane est la structure la plus simple à réaliser. Elle utilise des puces plus minces, sans couche N+ additionnelle. La transconductance sera moins élevée, il est donc plus robuste en situation de court-circuit.
l'IGBT PT (sigle anglais: Punch Through) à grille plane utilise des puces épaisses comportant une couche tampon N+. Il a en principe une chute de tension plus faible à l'état passant.
Cette couche tampon entre la zone d'épitaxie N et la zone d'injection P+ du collecteur permet d'obtenir une distribution du champ électrique trapézoïdal.
On trouve également des transistors dénommés DS-IGBT (pour Depletion Stop IGBT), ou FS-IGBT (pour Field Stop IGBT), qui présentent les mêmes caractéristiques que le PT-IGBT, avec une couche tampon moins dopée. Cela permet d'utiliser les technologies de fabrication plus simples d'un NPT-IGBT.
Les structures précédentes dites à grille plane ont l'avantage d'être faciles à réaliser. Néanmoins une technologie dite de grille en tranchée est également utilisée: la zone d'épitaxie est découpée sous la grille de manière à diminuer les phénomènes de latching et permettre ainsi des densités de courant plus importantes. Cette géométrie est aussi plus compacte et généralement plus performante que la géométrie à grille plane.

Technologie

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Module IGBT 3300 V 1200 A
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Intérieur d'un module IGBT 600 V 400 A
Les IGBT sont fabriqués avec des techniques similaires à celle des circuits intégrés (comme les MOSFET, mais contrairement aux GTO et aux thyristors. Ceci a pour conséquence que la taille de la puce est limitée à environ 1cm2, alors qu?on sait faire des diodes monolithiques de 150mm de diamètre (176cm2).
Les gros IGBT sont donc des modules multi-puces, constitués de nombreuses puces en parallèle, généralement brasées sur une semelle de cuivre ou d'Al-SiC à travers laquelle on assure leur refroidissement.
La plupart intègrent aussi une diode anti-parallèle (ou de roue-libre), elle-même multi-puces. Cette diode est en fait une partie très importante du module IGBT, car ses caractéristiques (en particulier de recouvrement) doivent être compatibles avec l'IGBT lui-même, nécessité cruciale. Ceci représente d'ailleurs une des premières applications pour les semi-conducteurs en carbure de silicium.
On trouve principalement des IGBT canal N. La structure complémentaire canal P est possible, mais limitée aux petites puissances, car comme pour les transistors bipolaires et les MOSFET, les caractéristiques obtenues sont moins bonnes (pertes supérieures par exemple).
Ces composants sont disponibles pratiquement dans tous les boîtiers courants, depuis le petit boîtier plastique (TO-220) pour des courants de quelques ampères à quelques dizaines d'ampères et des tensions collecteur-émetteur de 600 à 1500volts, jusqu?aux modules de forte puissance de quelques centaines d'ampères et quelques kilovolts.

Gammes et usages

Ces composants sont disponibles dans une gamme de tension allant de 600 (et moins) à 6500 volts, et des courants jusqu'à 2400 ampères par module. Les valeurs de tension les plus courantes sont:
  • 600V: valeur adaptée à la connexion sur un réseau 230V alternatif;
  • 1200V: valeur adaptée à la connexion sur un réseau 400V alternatif;
  • 1700V: valeur adaptée à la connexion sur un réseau 660V alternatif;
  • 3300V: valeur utilisée en traction ferroviaire 1500V continu;
  • 6500V: valeur utilisée en traction ferroviaire 3000V continu.

Applications

Les applications usuelles de l'IGBT sont les onduleurs,redresseurs,hacheurs pour les alimentations à découpage et la vitesse variable, mais aussi pour les FACTS.

Transistor à effet de champ de jonction

Schémas de principe d'un JFET à canal N
Un transistor de type JFET est un transistor à effet de champ dont la grille est directement en contact avec le canal. On distingue les JFET avec un canal de type N, et ceux avec un canal de type P.

Types et Symboles

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Transistor JFET canal P.
De même que l'on distingue deux types de transistors bipolaires, les NPN et les PNP, l'on distingue aussi deux types de transistors FET à jonction (JFET) : les JFET canal N et les JFET canal P. Le JFET canal N est le plus utilisé (comme d'ailleurs le transistor bipolaire NPN), son symbole est indiqué ci-dessous dans les schémas de mise en ?uvre. Le symbole du JFET canal P est identique, à part la flèche qui change de sens.
Comme pour les transistors bipolaires, on a le choix entre un grand nombre de modèles, selon la puissance mise en ?uvre et la bande de fréquences à amplifier.
La principale différence entre les transistors bipolaires et les JFET, c'est que les transistors bipolaires sont commandés en courant (il faut fournir au transistor un certain courant de base pour qu'il conduise), alors que le JFET est commandé en tension (le courant drain dépend de la tension Vgs).

Principe de fonctionnement

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Schémas d'un JFET à canal N lors d'un fonctionnement normal (VDS 0, VGS 0) avec deux valeurs de polarisation différentes.
Le transistor est formé par une couche de semi-conducteur peu dopée (canal) placée entre deux couches de semi-conducteur de dopage opposé et reliées entre elles pour former l'électrode que l'on nomme la grille . Les extrémités du canal forment deux autres électrodes nommées le drain et le collecteur) et la source et l'émetteur).Pour un JFET à canal de type N, la grille est de type P. En fonctionnement normal la tension entre le drain et la source est positive (VDS 0) et celle entre la grille et la source (jonction PN) est négative (VGS 0).L'augmentation de cette tension inverse fait croître les zones de déplétion (non conductrices) autour du canal jusqu'au pincement de celui-ci. La conduction du canal est donc modulée par la tension VGS.

Caractéristiques électriques

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Les deux figures ci-contre représentent :
  • les caractéristiques statiques Id en fonction de Vds et Vgs; ces caractéristiques sont assez semblables aux caractéristiques des transistors bipolaires, mis à part le fait que Ib est remplacé par Vgs;
  • la caractéristique Id en fonction de Vgs, pour des valeurs de Vds supérieures à quelques volts.
La caractéristique Id/Vgs est décrite par l'équation:
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où Idss (Id de court-circuit, short circuit en anglais) est le courant de saturation, obtenu quand Vgs est nul, et Vp (tension de pincement, pinch off) est la tension Vgs qui annule Id. Pour le transistor illustré, Idss = 10mA et Vp = -4V.
La principale application des JFET, c'est comme amplificateur de petits signaux. Pour cette application, on polarise le JFET au milieu de la zone linéaire (remarquez que les noms des zones sont inversés par rapport aux transistors bipolaires).

Calcul d'un amplificateur petits signaux

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Polarisation

Le schéma ci-contre montre comment l'on fixe le point de fonctionnement en continu d'un JFET. Le diviseur R1-R2 fixe le potentiel de la grille; remarquons qu'ici, contrairement au cas des transistors bipolaires, il n'y a pas lieu de tenir compte du courant grille, car celui-ci est quasi-inexistant. On peut donc écrire:
schema-electrique,où VGM est la différence de potentiel entre la grille et la masse.
Le potentiel de la source vaut Id.R4; il est supérieur au potentiel de la grille puisque la tension Vgs doit être négative. Le potentiel du drain vaut VDD Id.R3.

Calcul du gain

Appliquons une petite tension sinusoïdale ve à la grille, à travers un condensateur pour que la source de signaux alternatifs (générateur de signaux, microphone, antenne, autre étage amplificateur) ne modifie pas la polarisation de l'étage.
On trouve successivement id = S.ve ; vs = id.R3 et enfin G = vs / ve = S.R3
où ve est la tension alternative d'entrée (nous utiliserons des minuscules pour désigner les tensions et courants alternatifs), id le courant alternatif de drain, vs la tension de sortie au niveau du drain, G le gain en tension de l'étage, et S la transconductance. Celle-ci peut être définie comme suit: c'est la variation du courant drain due à une variation de la tension grille-source; elle s'exprime en A/V. Elle est essentiellement déterminée par le courant continu de drain. En effet, en dérivant l'équation qui donne Id, on trouve:
S = So.(1 - Vgs/Vp) avec So = - 2.Idss/Vp.
Remarque : n'oublions pas que Vgs et Vp sont négatives.
Dans notre exemple, So = 8mA/V, S = 3mA/V et G = 6. Ce gain est beaucoup plus petit que celui qu'on peut obtenir avec un amplificateur à transistor bipolaire.
Quant à la résistance d'entrée de l'étage, elle est égale à R1//R2 puisque la résistance d'entrée du JFET est extrêmement élevée (vu que le courant de grille est quasi-nul). Lorsque l'on souhaite une résistance d'entrée élevée, on omet généralement R1; dans ce cas, la résistance d'entrée de l'étage est simplement égale à R2.

Transistor à  effet de champ à  grille métal-oxyde


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Photographie représentant deux MOSFET
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Type P Type P
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Type N Type N
enrichissement appauvrissement
Légende: D: Drain - S: Source - G: Grille
Un transistor à  effet de champ à  grille isolée plus couramment nommé MOSFET (acronyme anglais de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - qui se traduit par transistor à  effet de champ à  structure métal-oxyde-semiconducteur), est un type de transistor à  effet de champ. Comme tous les transistors, le MOSFET module le courant qui le traverse à  l'aide d'un signal appliqué sur son électrode centrale nommée grille. Il trouve ses applications dans les circuits intégrés numériques, en particulier avec la technologie CMOS, ainsi que dans l'électronique de puissance.
  • Ces transistors se divisent en deux catégories:
    1. les MOSFET à  enrichissement. Ils sont les plus utilisés du fait de leur non conduction en l'absence de polarisation, de leur forte capacité d'intégration ainsi que pour leur fabrication plus aisée.
    2. les MOSFET à  appauvrissement. Ceux-ci se caractérisent par un canal conducteur en l'absence de polarisation de grille (VGS = 0).
Le transistor est caractérisé par la charge de ses porteurs majoritaires qui détermine s'il est de type P ou N. Les symboles du MOSFET permettent de différencier son type et sa catégorie. Les lettres sur les trois électrodes correspondent au drain, à  la source et à  la grille.

Historique

Le MOSFET a été conçu de façon théorique en 1920 par Julius Edgar Lilienfeld qui le breveta comme étant un composant servant à controler le courant.Cependant, la technologie nécessaire à  sa construction ne fut pas disponible avant 1950. En effet, les caractéristiques du MOSFET requièrent des techniques de fabrication non disponibles à  cette époque. L'avènement des circuits intégrés permit sa réalisation. Ainsi, M.M Atalla et Dawon Khang des laboratoires Bell construisirent le premier MOSFET en 1960 qui fera son apparition dans les circuits intégrés en 1963. Peu après, l'élaboration de la technologie CMOS assura le futur commercial et technologique du MOSFET en électronique intégrée.

Principe de fonctionnement

Le transistor MOSFET fait appel à  un seul type de porteur de charge (c'est donc un composant unipolaire). Le principe de base repose sur l'effet du champ électrique appliqué sur la structure métal-oxyde-semiconducteur c'est à  dire l'électrode de grille, l'isolant (dioxyde de silicium) et la couche semi-conductrice (appelée substrat); généralement en micro-électronique la couche métallique est remplacée par du silicium polycristallin.
Lorsque la différence de potentiel entre la grille et le substrat est nulle il ne se passe rien. Au fur et à mesure de l'augmentation de cette différence de potentiel les charges libres dans le semi-conducteur sont repoussées de la jonction semi-conducteur/oxyde, créant tout d'abord une zone dite de déplétion, puis lorsque la différence de potentiel est suffisamment grande il apparait une zone d'inversion. Cette zone d'inversion est donc une zone o๠le type de porteurs de charges est opposé à  celui du reste du substrat, créant ainsi un canal de conduction.
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Fonctionnement du MOSFET à  canal N

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Vue en coupe d'un MOSFET à  canal N
L'exemple suivant prend en considération le cas d'un canal N, qui est le plus fréquent; le canal P a un fonctionnement identique en inversant les polarisations.
Le transistor est généralement constitué d'un substrat de type P, faiblement dopé, dans lequel on diffuse par épitaxie deux zones N+ qui deviendront la source et le drain. Le silicium au-dessus du canal est oxydé dioxyde de silicium - SiO2) puis métallisé pour réaliser la grille, ce qui constitue une capacité entre la grille et le substrat.
En général, la source et le substrat sont reliés à  la masse. Le drain est porté à  un potentiel supérieur de ceux de la source et du substrat, ce qui crée un champ électrique entre la source, le substrat et le drain.
Au repos, deux cas sont possibles
  • Soit la capacité grille/substrat est flottante à  vide : il n'y a quasiment pas de porteurs pour conduire un éventuel courant, les deux jonctions source-substrat et substrat-drain sont polarisées en inverse; c'est le cas d'un MOSFET à  enrichissement.
  • Soit la capacité grille/substrat est en inversion, ce qui signifie que des électrons du substrat sont attirés au voisinage de l'oxyde.Ceux-ci constituent un afflux de porteurs minoritaires qui vont etre disponibles pour conduire le courant entre la source et le drain. Le transistor est conducteur, le MOSFET est dit à  appauvrissement.
Dans les deux cas, le courant source-drain est modulé par la tension de grille. Pour le transistor à  enrichissement, il faut appliquer une tension positive à  la grille pour amener la capacité grille-substrat en inversion: le transistor conduit à  partir d'un certain seuil. Pour le transistor à  appauvrissement (déplétion), le canal conduit lorsque la grille est à  la masse, il faut donc l'amener à  une tension négative pour faire cesser la conduction.
Lorsque le transistor conduit, une augmentation de la polarisation entre le drain et la source augmente le courant (non-linéairement). à partir d'une tension de drain supérieure à  la tension de grille moins la tension de seuil, le champ électrostatique entre le substrat et la grille s'inverse localement au voisinage du drain. Les électrons disparaissent à  cet endroit, le courant sature. Toute augmentation de la tension de drain au-delà de la tension de saturation conduit à  une disparition encore plus importante des électrons, et à  une faible augmentation (voire nulle) du courant .
àtension source-drain constante, le courant de saturation varie comme le carré de la tension grille-substrat.

Modes de fonctionnements

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Modes de fonctionnement d'un MOSFET à  canal N
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Caractéristiques Courant-Tension d'un MOSFET à  canal N

Tension de seuil

La tension de seuil est définie comme étant la tension VGS entre la grille et la source pour laquelle la zone d'inversion apparait, c'est-à -dire la création du canal de conduction entre le drain et la source. Cette tension se note VTH, TH étant l'abréviation de threshold en anglais (seuil). Lorsque la tension grille-source VGS est inférieure à  la tension de seuil VTH,on dit que le transistor est bloqué, il ne conduit pas. Dans le cas contraire, on dit qu'il est passant, il conduit le courant entre le drain et la source.

Zone linéaire

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  • W : largeur du canal
  • L : longueur du canal
μ : mobilité des porteurs de charge (mobilité des électrons dans le cas d'un MOSFET à  canal N)
Cox : capacité d'oxyde de grille

Point de pincement

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Zone saturée

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εsi : permittivité du silicium
εox : permittivité de l'oxyde de grille
xj : profondeur de jonction
Tox : épaisseur de l'oxyde de grille

Analogie

Une analogie très utile pour comprendre facilement le fonctionnement d'un FET, sans utiliser des concepts d'électrostatique, est de le comparer à  un robinet d'eau. La grille est la commande analogue au pas de vis du robinet qui controle le débit d'eau (courant). Après un quart de tour, il se peut que seul un faible filet d'eau coule. Puis, le courant augmente rapidement avec une faible rotation. Enfin, malgré des tours dans le vide, le courant n'augmente plus, il sature. Enfin, si on veut augmenter le débit du robinet, il faut augmenter le diamètre du tuyau (différence de potentiel grille-substrat).

Un transistor quantique de seulement... sept atomes

Un transistor de la taille d'une petite molécule a déjà été réalisé mais c'est la première fois qu'on en fabrique un aussi petit, Un corps constitué de 7 atomes de même espèce est appelé corps simple ou élément chimique. Composition:- un noyau de nucléons : protons et neutrons concentrant pratiquement toute la masse de l'atome.
Rappelez-vous, en 1989, des chercheurs d'IBM parvenaient à manipuler individuellement des atomes de xénon, écrivant le nom de leur compagnie avec 35 d'entre eux . Vingt ans plus tard, des chercheurs du UNSW Centre for Quantum Computer Technology (CQCT) et de l'Université du Wisconsin-Madison ont utilisé la même technique, à savoir un microscope à effet tunnel, pour manipuler des atomes de phosphore et de silicium.
Avec 7 atomes de phosphore, ils ont construit une boîte quantique dans un cristal de silicium. C'est elle qui se comporte comme un transistor, d'une taille de 4 nanomètres.
Une étape... sur un long chemin
C'est la première fois que l'on construit ainsi un dispositif électronique avec un microscope à effet tunnel et il pourrait bien s'agir d'une étape importante dans la maîtrise du nanomonde. Là encore, l'espoir est de pouvoir réaliser des ordinateurs encore plus petits, plus rapides et moins gourmands en énergie. Selon les chercheurs du CQCT, cela ouvre aussi la porte à la réalisation d'un ordinateur quantique utilisant le silicium.
On en est pas encore là. Réaliser un tel ordinateur quantique est une chose, en construire un capable de concurrencer les modèles classiques en est une autre. On sait en effet qu'il faut franchir l'obstacle redoutable de la décohérence et même si la nature, avec la photosynthèse, donne des signes que c'est possible, il n'est pas dit qu'une grande puissance de calcul puisse être atteinte.
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Le premier transistor moléculaire

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Des scientifiques de l'Université de Yale et de l'institut de science et technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait:) de Gwangju en Corée du Sud (Sud est un nom:), ont réussi à créer le premier transistor à partir d'une molécule simple.L'équipe a prouvé qu'une molécule de benzène reliée à des contacts en or pouvait se comporter comme un transistor au silicium.
En ajustant la tension, les chercheurs ont pu élever ou abaisser les états d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, faiquer de la chaleur, de la...) de la molécule ; ils ont démontré qu'elle pouvait être utilisée comme un transistor traditionnel au niveau moléculaire.
C'est comme une boule qui roule vers le haut et par-dessus une colline, où la boule représente le courant électrique et la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de la colline représente les différents états d'énergie de la molécule," a indiqué Mark Reed, professeur en ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la...) et sciences appliquées à Yale.
Nous avons pu ajuster la hauteur de la colline, permettant au courant de passer lorsque sa valeur était faible, et de l'arrêter lorsqu'il était fort. Le résultat est fonctionnellement identique aux transistors traditionnels, mais avec unemolécule de quelques atomes.
Ces travaux s'appuient sur des recherches de Reed dans les années 90,qui avaient montré que des molécules individuelles pouvaient être "emprisonnées" entre des contacts électriques. Bien que ce nouveau transistor soit une avancée scientifique certaine, Mark Reed admet que des applications pratiques telles que "les ordinateurs moléculaires" plus petits et plus rapides, ne verront pas le jour(Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil, c'est la période entre deux...) - si elles le voient - avant quelques décennies.Nous ne sommes pas sur le point (Graphie) de créer la prochaine génération de circuits intégrés,".
Pour autant, est-ce le but ultime en matière de miniaturisation électronique ,récemment, une équipe australo-finlandaise a mentionné le développement d'un transistor à atome unique. Ces dernières années, les ingénieurs se sont éloignés du silicium pour des matériaux d'une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) exotiques tels que le graphène pour réduire la taille des transistors, 10 atomes constituant le record. Le transistor moléculaire réduit encore ces limites, avec probablement un nanomètre de longueur.

NOMFET: un transistor organique ouvre la voie à de nouvelles générations de calculateurs neuro-inspirés

Pour la première fois, des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de...) et du CEA ont mis au point (Graphie) un transistor mimant à lui seul les fonctionnalités principales d'une synapse. Ce transistor organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules...) réalisé à base de pentacène et de nanoparticules d'or, nommé NOMFET (Nanoparticle-Organic Memory transistor), ouvre la voie à de nouvelles générations de calculateurs neuro-inspirés, capables de répondre de façon similaire au système nerveux (Le système nerveux est un système en réseau formé des organes des sens, des nerfs, du cerveau, de la moelle épinière,...). L'étude est publiée le 22 janvier 2010 dans la revue Advanced Functional Materials.
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Modèle de fluctuation de la période en mode transitoire du NOMFET suivant différentes valeurs du train d'impulsion en entrée (0.05 Hz - 3 Hz).
Dans le développement de nouvelles stratégies pour le traitement de l'information, une approche consiste à mimer le fonctionnement des systèmes biologiques, tels que les réseaux de neurones, pour réaliser des circuits électroniques aux capacités nouvelles. Dans le système nerveux, la synapse est la jonction entre deux neurones. Elle permet la transmission des messages électriques d'un neurone à l'autre et l'adaptation du message en fonction de la nature du signal
Termes généraux
Un signal est un message simplifié et généralement codé.
Il existe sous forme...) entrant (plasticité). Par exemple, si la synapse reçoit des pulsions très rapprochées de signaux entrants, elle transmettra un potentiel d'action plus intense. Inversement, si les pulsions sont distantes, ce dernier sera plus faible.
C'est cette plasticité que les chercheurs ont réussi à mimer avec le transistor NOMFET.Le transistor, élément de base d'un circuit électronique, peut être utilisé comme simple interrupteur (Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou...) il peut alors transmettre ou non un signal ou offrir de nombreuses fonctionnalités (amplification, modulation, codage...).
L'innovation du NOMFET réside dans la combinaison originale d'un transistor organique et de nanoparticules d'or. Ces nanoparticules encapsulées, fixées dans le canal du transistor et recouvertes de pentacène possèdent un effet mémoire(L'effet mémoire est un phénomène physico-chimique affectant les performances des accumulateurs électriques.) leur permettant de mimer le fonctionnement d'une synapse lors de la transmission des potentiels d'action entre deux neurones. Cette propriété confère ainsi au composant électronique (Un composant électronique est un élément destiné à être assemblé avec d'autres afin de réaliser une ou plusieurs...)
la capacité d'évoluer en fonction du système dans lequel il est placé. La performance est à comparer aux sept transistors CMOS (a minima) nécessaires jusqu'alors pour mimer cette plasticité.Les dispositifs réalisés ont été optimisés jusqu'à des tailles nanométriques afin de pouvoir les intégrer à grande échelle. Les calculateurs neuro-inspirés ainsi réalisés sont capables de fonctions comparables à celles de notre cerveau.
Contrairement aux calculateurs en silicium utilisés en abondance dans les ordinateurs pour le calcul intensif, les calculateurs neuro-inspirés peuvent résoudre des problématiques beaucoup plus complexes comme la reconnaissance visuelle.