Des transistors - Partie 1 : la diode

Je déteste pas mal de choses, mais la première est certainement tous ces sites qui n'expliquent pas correctement le fonctionnement des transistors...

Il y a beaucoup, BEAUCOUP de sites internet qui parlent des transistors : leur fonctionnement, leur utilisation, leur alimentation... Malheureusement, il y en a très peu qui en parlent correctement ! Dans cette série d'article, étudions en détail le fonctionnement de ces composants et leur utilisation.

Lorsqu'on parle d'audio, on retrouve principalement trois types de transistors : les transistors bipolaires (BJT), les transistors à effet de champs à jonction (JFET) et les transistors metal-oxyde à effet de champ (MOSFET). Ils fonctionnent tous différemment, donc sonnent différemment et ont des caractéristiques différentes. En revanche, le son obtenu n'est pas défini par le composant choisi mais aussi par la structure dans laquelle il est placé. En fait, parler des différences sonores entre BJT et JFET, ça n'est valable que dans une configuration de composants similaire !

La miniature de l'article montre différents types de transistors, tous traversant. Les composants montés en surface (CMS) sont bien plus petits, ont une moins de résistance à la chaleur et sont bien plus durs à souder ! L'image suivante montre différentes taille de package.

Le premier type de transistor que nous allons disséquer est le transistor bipolaire. Mais pour comprendre comment ce transistor fonctionne, nous devons aborder un autre composant : la diode à jonction !

Une diode est un dipôle actif avec deux électrodes : une anode et une cathode. Une diode à jonction est composée d'un métal semiconducteur, souvent du silicium ou du germanium, qui est soit enrichi ou appauvri en électrons. Retirer ou rajouter des électrons à un semiconducteur, c'est ce qu'on appelle le doper. Ajouter des électrons est un dopage de type N alors qu'en enlever est un dopage de type P, donc un semiconducteur dopé P est "plus positif" qu'un dopage de type N. D'où les deux pôles de la diode : un dopage type P qui forme l'anode, positive, et un dopage de type N qui forme la cathode, négative !

Imaginons que nous alimentons notre diode avec une pile. Si la cathode est connectée à sa borne positive, les électrons qui s'y trouvent se rapprochent physiquement de la batterie et reste proche du bord de la jonction N. De l'autre côté, à l'anode, le "manque d'électrons" appelé trou par les physiciens se dirigent vers le pôle négatif de la batterie. Ainsi, les trous et les électrons se sont agglomérées de part et d'autre de la diode, attirées par les potentiels électriques de la pile. Aucun courant ne passe alors, la diode est bloquante car la tension entre ses bornes est négative. On mesure toujours la tension de la cathode vers l'anode !

Cependant, quand on inverse le sens de la pile, cette tension devient positive. Les électrons dans la cathode sont attirés vers l'anode et se diffusent dans la jonction P. Si la tension est suffisamment grande, les particules peuvent circuler dans le circuit électrique : un courant s'installe ! Cette tension de seuil (Vd) dépend du semiconducteur utilisé dans la diode et de la température. Vd est environ égal à 0.3V pour le germanium et 0.7V pour le silicium.

Résumons tout cela. Quand la tension cathode-anode de la diode est négative, la diode ne laisse passer aucun courant. La diode est polarisée en sens inverse. Quand cette tension est positive et plus grande que la tension de seuil, la diode est passante et polarisée en sens direct. Plus la tension est élevée, plus le courant l'est également, mais attention à ne pas brûler la diode à cause d'une trop forte puissante ! D'un autre côté, si la tension est trop négative, la diode va claquer. C'est la zone de claquage de la diode.

Pour connaitre le comportement du courant dans la diode en fonction de la tension à ses bornes, on peut tracer la caractéristique I-V de la diode. L'équation qui détermine cette relation en sens direct est la Loi de Shockley. Pour les fans de maths qui lisent ces lignes, elle décrit le courant comme une fonction exponentielle de la tension. Quand le courant qui passe dans la diode varie peu, la tension à ses bornes est presque constante et égale à Vd, en première approximation. Cette approximation est très importante quand on parlera des transistors bipolaire, retenez-la bien !

Voilà un petit schéma qui résume la caractéristique d'une diode à jonction pour terminer.