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Plaquettes silicium
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La deuxième génération de composants actifs a été développée aux Etats-Unis pendant la seconde guerre mondiale et elle a abouti en 1948 à la mise au point par les laboratoires Bell des composants à semi-conducteurs.
Tout y repose sur les propriétés de semi-conducteurs du type germanium, silicium, indium, arséniure de gallium, carbure de silicium où une petite proportion de dopants leur donne un caractère P ou N. La condition sine qua non est la pureté presque absolue des cristaux et l’absence de défauts dans la structure cristalline. Les associations de zones P et N donnent les diodes, transistors, thyristors etc. On a retrouvé avec certains semi-conducteurs des comportements qui ressemblaient à ceux des tubes électroniques mais bien d’autres, originaux, ont été obtenus.
L’association la plus simple est la jonction PN qui montre un effet redresseur presque idéal comparé à son équivalent en tube électronique. La chute de tension d’une diode à vide atteint facilement 50 V tandis que celle de la classique jonction PN au silicium atteint 0.7 V.
Dans les transistors bipolaires à jonctions PNP ou NPN, l’effet d’amplification est obtenu en associant des couches de semi-conducteurs de différentes épaisseurs et de différents dopages. Le résultat est qu’avec un petit courant de contrôle entre une source appelée émetteur et une couche de contrôle appelée base on arrive à contrôler un courant 100 fois plus grand passant directement de l’émetteur vers le collecteur. Ces transistors avec une commande par un courant ne se trouvent plus que dans quelques niches d’applications spécifiques comme les tensions de service > 1000 V. Leurs caractéristiques les fait ressembler aux triodes.
La très grande majorité des transistors existant maintenant et surtout dans les composants logiques comme les micro-processeurs et les mémoires sont du type à commande en tension par un effet de champ. Ce sont les transistors Métal Oxyde Semi-conductor-Field Effect Transistor : MOS-FET. La grille de commande crée un canal conducteur entre une source et un drain. L’équivalent en tube électronique est la penthode. L’avantage de ce principe est la possibilité de miniaturisation, les faibles courants de commande et de fuite et la réduction des tensions d’alimentation. On arrive à ainsi intégrer des dizaines de millions de transistors sur moins d’un cm2.
Lorsque l’on empile deux transistors selon 4 couches PNPN, on obtient le thyristor qui fonctionne comme une diode commandée par une impulsion injectée dans l’électrode de gâchette. L’équivalent en tube est le thyratron. En rajoutant une couche de plus, on obtient le TRIAC qui est un interrupteur bidirectionnel pour les tensions alternatives.
Pratiquement tous les montages électroniques que l’on savait réaliser avec des tubes ont pu être reproduits avec des semi-conducteurs. Certaines caractéristiques physiques spécifiques au semi-conducteurs ont étendu les possibilités des montages :
-La dépendance exponentielle du courant avec la tension dans les jonctions semi-conductrices a permis de réaliser facilement des amplificateurs logarithmiques sur un grand nombre de décades. Une fois la fonction log obtenue, on sait réaliser des multiplieurs. C’est la base des calculateurs analogiques.
-La dépendance linéaire de la chute de tension dans les diodes en fonction de la température permet de réaliser des capteurs de température.
-Par des rapports de surface de jonction, on sait asservir des courants dans des rapports précis : ce sont les miroirs de courant.
-Des diodes à l’arséniure de gallium dont le dopage est modifié ad hoc peuvent fonctionner en résistance négative et entretenir l’oscillation de cavités hyperfréquences : c’est la diode Gunn utilisée dans les alarmes volumétriques et pour des mesures de vitesse.
-Les phénomènes d’injection de charges peuvent être rendus très rapides et ils servent dans les générateurs d’harmoniques.
On sait aussi réaliser des associations métal/semi-conducteur essentiellement sous forme de diodes ''Schottky'' qui ont l’avantage d’avoir une chute de tension de 0.3 V environ et de ne pas créer de charges recouvrées.
Les photons, et divers rayonnements peuvent moduler le courant inverse de diodes spéciales : on recrée les cellules photo-électriques. Leur miniaturisation a permis de réaliser les capteurs en cellules CCD (Charged Coupled Devices) qui sont à la base des appareils photo-numériques et des caméscopes.
Il y aussi la conversion directe d’énergie lumineuse en énergie électrique : ce sont les cellules photovoltaïques.
La conversion directe d’énergie électrique en énergie lumineuse par sauts quantiques dans les diodes LED et les LASERs n’est pas envisageable dans les tubes électroniques.
La seule limitation importante des semi-conducteurs est le fait que les porteurs de charge doivent se déplacer dans une structure cristalline qui doit être petite pour avoir un temps de transit faible et donc ne pouvant contrôler qu’une faible puissance. Les électrons se déplacent plus vite dans les tubes électroniques que dans les semi-conducteurs. Ce n’est pas un inconvénient pour les circuits logiques mais un réel problème pour les composants de puissance. Un transistor MOS-FET de puissance est ainsi constitué de millions de petits transistors élémentaires mis en parallèle. C’est quand même fiable mais pas très élégant. Un tube électronique très puissant a forcement un grand volume. Pour avoir des électrons rapides, on sait augmenter jusqu’à des dizaines de milliers de volts les tensions grâce à l’isolement apporté par le vide. Les semi-conducteurs de trop grandes dimensions sont lents et tendant à se casser en raison des dilatations thermiques différentielles.
Tout y repose sur les propriétés de semi-conducteurs du type germanium, silicium, indium, arséniure de gallium, carbure de silicium où une petite proportion de dopants leur donne un caractère P ou N. La condition sine qua non est la pureté presque absolue des cristaux et l’absence de défauts dans la structure cristalline. Les associations de zones P et N donnent les diodes, transistors, thyristors etc. On a retrouvé avec certains semi-conducteurs des comportements qui ressemblaient à ceux des tubes électroniques mais bien d’autres, originaux, ont été obtenus.
L’association la plus simple est la jonction PN qui montre un effet redresseur presque idéal comparé à son équivalent en tube électronique. La chute de tension d’une diode à vide atteint facilement 50 V tandis que celle de la classique jonction PN au silicium atteint 0.7 V.
Dans les transistors bipolaires à jonctions PNP ou NPN, l’effet d’amplification est obtenu en associant des couches de semi-conducteurs de différentes épaisseurs et de différents dopages. Le résultat est qu’avec un petit courant de contrôle entre une source appelée émetteur et une couche de contrôle appelée base on arrive à contrôler un courant 100 fois plus grand passant directement de l’émetteur vers le collecteur. Ces transistors avec une commande par un courant ne se trouvent plus que dans quelques niches d’applications spécifiques comme les tensions de service > 1000 V. Leurs caractéristiques les fait ressembler aux triodes.
La très grande majorité des transistors existant maintenant et surtout dans les composants logiques comme les micro-processeurs et les mémoires sont du type à commande en tension par un effet de champ. Ce sont les transistors Métal Oxyde Semi-conductor-Field Effect Transistor : MOS-FET. La grille de commande crée un canal conducteur entre une source et un drain. L’équivalent en tube électronique est la penthode. L’avantage de ce principe est la possibilité de miniaturisation, les faibles courants de commande et de fuite et la réduction des tensions d’alimentation. On arrive à ainsi intégrer des dizaines de millions de transistors sur moins d’un cm2.
Lorsque l’on empile deux transistors selon 4 couches PNPN, on obtient le thyristor qui fonctionne comme une diode commandée par une impulsion injectée dans l’électrode de gâchette. L’équivalent en tube est le thyratron. En rajoutant une couche de plus, on obtient le TRIAC qui est un interrupteur bidirectionnel pour les tensions alternatives.
Pratiquement tous les montages électroniques que l’on savait réaliser avec des tubes ont pu être reproduits avec des semi-conducteurs. Certaines caractéristiques physiques spécifiques au semi-conducteurs ont étendu les possibilités des montages :
-La dépendance exponentielle du courant avec la tension dans les jonctions semi-conductrices a permis de réaliser facilement des amplificateurs logarithmiques sur un grand nombre de décades. Une fois la fonction log obtenue, on sait réaliser des multiplieurs. C’est la base des calculateurs analogiques.
-La dépendance linéaire de la chute de tension dans les diodes en fonction de la température permet de réaliser des capteurs de température.
-Par des rapports de surface de jonction, on sait asservir des courants dans des rapports précis : ce sont les miroirs de courant.
-Des diodes à l’arséniure de gallium dont le dopage est modifié ad hoc peuvent fonctionner en résistance négative et entretenir l’oscillation de cavités hyperfréquences : c’est la diode Gunn utilisée dans les alarmes volumétriques et pour des mesures de vitesse.
-Les phénomènes d’injection de charges peuvent être rendus très rapides et ils servent dans les générateurs d’harmoniques.
On sait aussi réaliser des associations métal/semi-conducteur essentiellement sous forme de diodes ''Schottky'' qui ont l’avantage d’avoir une chute de tension de 0.3 V environ et de ne pas créer de charges recouvrées.
Les photons, et divers rayonnements peuvent moduler le courant inverse de diodes spéciales : on recrée les cellules photo-électriques. Leur miniaturisation a permis de réaliser les capteurs en cellules CCD (Charged Coupled Devices) qui sont à la base des appareils photo-numériques et des caméscopes.
Il y aussi la conversion directe d’énergie lumineuse en énergie électrique : ce sont les cellules photovoltaïques.
La conversion directe d’énergie électrique en énergie lumineuse par sauts quantiques dans les diodes LED et les LASERs n’est pas envisageable dans les tubes électroniques.
La seule limitation importante des semi-conducteurs est le fait que les porteurs de charge doivent se déplacer dans une structure cristalline qui doit être petite pour avoir un temps de transit faible et donc ne pouvant contrôler qu’une faible puissance. Les électrons se déplacent plus vite dans les tubes électroniques que dans les semi-conducteurs. Ce n’est pas un inconvénient pour les circuits logiques mais un réel problème pour les composants de puissance. Un transistor MOS-FET de puissance est ainsi constitué de millions de petits transistors élémentaires mis en parallèle. C’est quand même fiable mais pas très élégant. Un tube électronique très puissant a forcement un grand volume. Pour avoir des électrons rapides, on sait augmenter jusqu’à des dizaines de milliers de volts les tensions grâce à l’isolement apporté par le vide. Les semi-conducteurs de trop grandes dimensions sont lents et tendant à se casser en raison des dilatations thermiques différentielles.