Histoire de l'électronique

« 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 base consistant à injecter dans l'entrée une partie du signal amplifié de sortie.

Sous certaines conditions, 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 base radiocommunication.

TÉTRODE 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.

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électrodes.

'ii!:IDMS' 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 positifs.

les électrons et les ions ainsi 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 ampères par anode! la triode à gaz, par exemple, appelée thyrtdron 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 mises 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 sortes : les magnétrons et les klystrons, conçus en 1924 et en 1939 respectivement.

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

LE MAGNhRON : UN TUBE HYPERFRtQUENCE Où trouve-t-on chez soi un magnétron ? Réponse : dans un miuo-ondes ! les micro-ondes sont émises grâce à un émetteur (tout à fait analogue à ceux employés 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 transistor, 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'entoure.

�émission des électrons se fait donc selon les rayons 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 distance 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 lesquelles il devient possible d'appliquer une différence de potentiel.

Si l'on applique entre les deux anodes une différence de potentiel alternative, par exemple en branchant les anodes aux bornes d'un circuit oscillant, le mouvement des électrons 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 plusieurs paires : le principe reste le même ; cela complique davantage la chose mais permet d'augmenter la fréquence.

NAISSANCE DE L'ÉLECTRONIQUE À SEMI -CONDUCTEUR Au début du '1Y.' 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 transistors 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• Qm et 107 Qm, c'est à dire entre celles des métaux (typiquement 10� Qm) et celles des isolants {1012 Qm), la frontière entre ces trois variétés de matériaux n'étant pas très nette.

Le silicium et le germanium en sont de bons 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 Brattain {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 reposant sur une « base , Le transistor E C : Collecteur B: Base c E: Emetteur N : Semi-conducteur dopé N p : Semi-conducteur dopé P E métallique, ils montrent que le courant circulant entre l'une des pointes et la base pouvait être fortement influencé 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 baptise l'invention « transistor », de transfer et resistor, car il y a transfert d'un signal électrique à travers une résistance.

En 1956 John Bardeen, Walter Brattain et William Shoc/dey se voient décerner le prix Nobel de physique pour leurs recherches sur les semi­ conducteurs et leur découverte de l'effet transistor.

LE TRANSISTOR Contrairement à ce qui se passe dans un isolant, dans un bon conducteur, chaque atome laisse grossièrement un de ses électrons 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 impuretés 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, est formé de deux jonctions 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 ne 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 nécessairement mal polarisée.

Cependant, en agissant sur le potentiel de la zone centrale, il devient possible de commander le passage du courant, de manière analogue au rôle joué par la grille dans une triode.

Voilà pourquoi il n'est pas exagéré de dire qu'un transistor est une triode à semi­ conducteur.

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

leur principe de fonctionnement est grossièrement le même.

PUCES tLECTRONIQUES l'une des grandes révolutions technologiques en électronique depuis l'invention du transistor est celle des circuits dit « intégrés » ou puces électroniques.

l'idée de rassembler plusieurs transistors sur une petite -.J �..)_ ( J surface apparaît au cours 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 compacts ou « puces ».

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

Jack Kilby a reçu le prix Nobel de physique en 2000.

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