Histoire de l'électronique (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« puis ré-émis amplifié par le haut­ parleur et ainsi de suite : grâce à la rétroaction et l'amplification on obtient un sifflement à une fréquence bien précise , pour une certaine distance microphone haut-parleur.

Ainsi, la fonction " oscillateur » de la triode est en fait intimement liée à sa fonction amplificatrice , l'idée de bas e consistant à injecter dans l'entrée une partie du signal amplifié de sortie .

Sous certaines cond itions , l'amplification se trouve augmentée et, par un phénomène «de boucle », peut tendre vers l 'infini.

Le montage devient alors " instable » et produit des oscillations : on obtient ainsi un oscillateur électrique , à la bas e radiocommunication .

ftTRODE ET PENTODE ••• Sans entrer dans les détails , disons simplement que de même que l'ajout d 'une nouvelle électrode à la diode a permis d'améliorer les performances de celle-ci, la tétrade à quatre électrodes est une triode améliorée , et la pentode est une tétrade améliorée ...

et ainsi de suite on peut montrer jusqu'à six, sept, huit ...

électrodes .

iii'UJH" Les tubes à gaz ou tubes ioniques sont des tubes électroniques qui enferment un gaz, contrairement aux tubes vus précédemment.

l'emploi des tubes à vide est limité par le fait qu'ils ne peuvent être le siège de courants très intenses, les électrons émis par la cathode chaude n'étant pas assez nombreux.

Dans les tubes à gaz en revanche, les électrons émis par la cathode entrent en collision avec les atomes du gaz, leur arrachant des électrons et créant des ions pos itifs.

Les électrons et les ions ains i créés se dirigent vers les électrodes et contribuent à élever l'intensité du courant à des valeurs bien plus importantes que dans les tubes à vide , de l'ordre de 1 ooo ampère s par anode ! La triode à gaz, par exemple, appelée thyratron est un composant important de certains radars.

TUBES HYPERFRtQUENCE : GtNtRAUTtS Nous l 'avons vu, la triode et ses variantes améliorées permettent d 'obtenir des courants oscillants (alternatifs ).

D 'où leur grande utilité dans la radiocommunication , surtout à l'émission où les puissances mise s en jeu sont importantes .

Cependant , les tubes à vides et à gaz ne sont plus vraiment efficaces et ne peuvent pas remplir leur rôle correctement dès lors que la fréquence d 'oscillation du courant alternatif devient trop importante et dépasse 1 Gigahertz (le courant change de sens un milliard de fois par seconde).

En effet , pour diverses raisons techniques, à mesure que la fréquence augmente, la puissance de ce genre d'oscillateur diminue , si bien que l'on ne peut pas avoir avec les tubes classiques un émetteur hyperfréquence très puissant.

Voilà pourquoi on a recours à ce que l'on appelle des tubes hyperfréquence .

Il en existe principalement deux sorte s : les magnétrons et les klystrons , conçu s en 1924 et en 1939 respectivement.

Dans la mesure où le fonctionnement du klystron est assez complexe, mais aussi parce que nous somme s nombreux à posséder chez nous un magnétron sans le savoir, nous allons expliquer le fonctionnement de ce dernier dispositif .

LE MA'NtfRON : UN TUBE HYPERFRtQUENCE Où trouve-t-on chez soi un magnétron ? Réponse : dans un micro-ondes ! Les micro-ondes sont émises grâce à un émetteur (tout à fait analogue à ceux employ és dans certains radars ) dont la puissance est de l'ordre de 1 ooo W et la fréquence d 'environ 1 GHz.

Remarquons ici que l'onde émise par un téléphone portable possède à peu près la même fréquence , mais pas du tout la même puissance : comme oscillateur , dans le portable , il y a un circuit à transi stor, et non un magnétron , auquel cas le cerveau cuirait comme le poulet dans le four ...

Le magnétron est la source hyperfréquence de puissance la plus répandue à l'heure actuelle .

Fondamentalement , il est formé de deux électrodes : une cathode émissive de forme cylindrique et une anode également cylindrique qui l'entour e .

!:émi ssion des électron s se fait donc selon les rayon s du cylindre .

Grâce à un champ magnétique (issu d 'un aimant ou d'un courant électrique) parallèle à l ' axe du cylindre , on incurve la trajectoire des électrons qui décrivent alors des arcs de cercle avant d'atteindre l'anode .

Pour une certaine valeur du champ , appelé champ de blocage , les électrons n'atteignent plus l'anode , car le rayon du cercle qu'ils décrivent devient inférieur à la distanc e cathode anode.

Il s'agit là du magnétron le plus simple, appelé magnétron à anode continue , car l'anode cylindrique est en un seul morceau .

Si en revanche elle est formée de deux demi-cylindres , on obtient un magnétron à anode divisée , ou magnétron à fentes , deux fentes parallèles à l'axe du cylindre séparant les deux anodes entre lesquelle s il devient possible d'appliquer une différence de potentiel.

Si l'on applique entre les deux anode s une différence de potentiel alternative, par exemple en branchant les anodes aux bornes d 'un circuit oscillant , le mouvement des électron s émis par la cathode se complique : tandis que certains sont accélérés, d'autres sont ralentis, en fonction de la différence de potentiel enfre les anodes à un instant donné et de la position d'un électron dans le champ créé.

La théorie du mouvement des électrons , ralentis ou accélérés , est d'une grande complexité.

Toujours est-il qu'en raison de ces accélérations et décélérations, les électrons se rassemblent par paquets et sur leur trajet circulaire , à leur passage au voisinage des anodes , ils leur cèdent de l'énergie .

Ainsi le magnétron fournit de l'énergie au circuit oscillant.

Cela entretient donc les oscillations , et il y a émission d 'une onde électromagnétique de fréquence égale à la fréquence de rotation des électrons .

Dans la pratique, il n 'y a pas deux fentes mais plus ieurs paires : le principe reste le même ; cela complique davantage la chose mais permet d 'augmente r la fréquence .

NAISSANCE DE rÉLECTRDNIQUE À SEMI-CONDUCTEUR Au début du XX' siècle , on savait qu'une jonction (un contact ) formée par une pointe métallique reposant sur un morceau de galène (sulfure de plomb , PbS) agit comme une diode de Fleming : elle ne laisse passer le courant que dans un sens.

On ne peut expliquer ce phénomène qu'à l 'aide de la théorie moderne de la conduction électrique dans les solides , laquelle repose sur la physique quantique .

En effet , toute la physique des semi­ conducteurs qui régit notamment le fonctionnement des " diodes à jonction » et des tran s istors repose sur le mode suivant lequel les électrons passent d'un corps dans un autre, d 'un atome à un autre.

On donne le nom de semi-conducteur à des matériaux non métalliques dont la résistivité électrique se situe entre 10~ Q m et 107 Qm, c'est à dire entre celles des métaux (typiquement w ·• Q m) et celles des isolants (1012 Qm ), la frontière entre ces trois variété s de matériaux n'étant pas très nette .

Le silicium et le germanium en sont de bon s exemples .

Certaines jonctions agissant comme la diode de Fleming.

c'est très naturellement que l'on cherche à remplacer la triode de De Forest, à son tour, par sa version semi-conductrice.

Mais cela ne devient envisageable qu'avec la naissance de la physique quantique à partir du milieu des années 1920 .

Ainsi, l'Allemand Julius Lilienfeld dépose dès 1926 un brevet pour un tel dispositif, mais ne parvient jamais à le mettre au point.

!:Américain William Shockley (1910 -1989 ) et deux de ses collègues , John Bardeen (1908-1991 ), théoricien , et Walter Bratta in (1902 - 1987 ) , praticien , parviennent enfin au but le 23 décembre 1947 .

En plaçant deux pointes métalliques à très petite distance l'une de l'autre sur un cristal de germanium dopé (voir plus loin), lui-même repo sant sur une " base » Le transisto r c ·@ E C : Collect eur B: Base c E : Emette ur N : Semi -conducteur dopé N p : Semi -conducteur dopé P E ils montrent que le courant circulant entre l'une des pointes et la base pouvait être fortement influenc é par celui circulant entre l'autre pointe et la base.

Dans certaines conditions, une toute petite variation de l'intensité du courant au niveau d 'une des pointes se traduisait par une variation très importante , donc amplifiée , de l'intensité au niveau de l'autre pointe : l'effet amplificateur était bien là.

La triode semi-conductrice venait de naître! En 1949 John Pierce bapt ise l 'invention " transistor », de transfer el resistor , car il y a transfert d 'un signa l électrique à travers une résistance .

En 1956/ohn Bardeen, Walter Brattain et William Shockley se voient décerner le prix Nobel de physique pour leurs recherches sur les semi­ conducteurs et leur découverte de l'effet transi stor.

LE TRANSISTOR Contrairement à ce qui se passe dans un isolant, dans un bon conducteur, chaque atom e laisse gros sièrement un de ses électron s libre se mouvoir d'un atome à un autre .

Dans les semi­ conducteurs , il n'y a pas vraiment d 'électrons " libres ».

Cependant , l'énergie d 'agitation thermique permet parfois de libérer des électrons .

On augmente la conductivité des semi­ conducteurs en les " dopant ».

Cela consiste à introduire des impureté s dans le réseau cristallin : des atomes étrangers ayant tendance à céder ou au contraire à prendre un électron aux atomes du semi -conducteur.

On parle alors respectivement de cristal dopé N ou P.

Si l'on crée une jonction donneur­ preneur que l'on nomme « N-P » avec de tels cristaux, le courant ne pourra passer que si le cristal donneur est relié à la borne négative de la pile et le cristal P preneur à la borne positive .

On obtient ainsi une " diode à jonction ».

Le " transistor à jonctions », quant à lui, e st formé de deux jonct ions donneur -preneur créées par l'accolement de trois cristaux dopés, l'un d'eux étant pris en sandwich entre les deux autres .

On obtient ainsi un transistor N-P-N ou P-N-P .

Aucun courant n e peut passer si l'on branche les deux bornes d 'une pile aux deux régions extrêmes du transistor, car l'une des jonctions est alors nécessai rement mal polarisée .

Cependant en agissant sur le potent iel de la zone centrale , il devient possible de com mander le passage du courant , de mani ère analogue au rôle joué par la grille dans une triode .

Voilà pourquoi il n 'est pas e x agéré de dire qu'un transistor est une triode à semi­ conduct eur.

Il existe plusieurs sortes de transistor s, notamment le bipolaire , celui à effet de champ , et le trans istor MOS.

Leur principe de fonctionnement est gros sièrement le même.

PUCES tLECTRONIQUES l'une des grande s révolutions technolo giques en électronique depuis l'invention du transistor est celle des circuits d it " intégrés » ou puces électron iques.

!:idée de rassembler plusieur s transistors sur une petite surface apparaît au cour s des années 1950 notamment dans l 'esprit de l'Américain Jack Kilby.

La réalisation était cependant difficile .

Mais cela devient possible dès 1959 , grâce à Robert Noyee , ingénieur chez Fairchild , mort en 1990 , grâce au procédé dit" Planar » qu'il met au point et qui permet de réaliser des circuits très com pacts ou " puces ».

l'invention de la puce conduit à l'essor de la microélectronique.

Jack Kilby a reçu le prix N obel de physique en 2000 .

Aujourd 'hui, plusieurs millions , voire plusieur s dizaines de millions de transistors peuvent être assemblés sur une surface de l'ordre de un centimètre carré ! Mais cette miniaturisation ne peut guère se poursuivre beaucou p plus loin, car la limite physique de l 'intégration est presque atteinte : la taille des transistors flirte avec celle des atomes .... »