Il y a 75 ans aujourd’hui : la naissance du transistor

Le 23 décembre 1947 est un jour pour les livres d’histoire. Ce jour-là, aux Bell Laboratories d’AT&T, John Bardeen et Walter Brattain ont présenté à leur collègue William Shockley un petit engin fait main : le premier transistor. L’importance de leur invention était immédiatement claire pour les trois. Cela pourrait amplifier les signaux électriques sans tubes à vide sensibles et gourmands en énergie. Les fondations de l’un des plus grands bouleversements technologiques de l’histoire de l’humanité étaient posées.

Pour comprendre le fonctionnement du transistor, il convient de jeter un œil à son prédécesseur, la triode. Une fois chauffés – d’où la douce lueur – les électrons circulent de la cathode vers l’anode dans l’ampoule de verre sous vide. Ils doivent traverser une grille qui est chargée négativement. Plus cette charge négative est élevée, plus les électrons, eux aussi chargés négativement, sont ralentis et donc moins traversent la grille. Les électrons qui ont traversé la grille sont accélérés par celle-ci jusqu’à l’anode. Seul un faible champ électrique capable de contrôler un courant important est nécessaire pour la régulation. La triode est donc une vanne de régulation de débit contrôlable. Cependant, cela a ses limites : 100 MHz est la limite, la triode ne peut pas gérer des fréquences plus élevées et le facteur d’amplification est également faible.

Premier essai avec une construction fragile

L’invention du transistor était en fait attendue depuis longtemps lorsque Bardeen, Brattain et Shockley ont créé un premier prototype fonctionnel aux laboratoires Bell aux États-Unis. Le 23 décembre 1947, la construction fragile a terminé son essai dans un oscillateur. L’équipe de Mataré n’a réussi que huit mois plus tard. Tout le mérite revient donc aux collègues américains, ils reçoivent le prix Nobel de physique en 1956. La désignation de l’équipe allemande « Transistron » n’a pas non plus été acceptée. Le mot composé similaire « transistor », composé de « transfert » et de « résistance (résistance) », qui décrit bien la fonction de la résistance contrôlable, a trouvé plus d’approbation.

Le premier transistor de Bell Labs était un transistor bipolaire, une conception dominante jusqu’à la fin des années 1960. Ce n’est qu’alors que les transistors à effet de champ plus puissants ont pris le dessus – bien que les brevets Lilienfeld et Heil décrivaient à l’origine de tels transistors à effet de champ. Mais leur production n’a été économiquement possible que dans les années 1960.

Comment fonctionne le transistor

Retour au classique, le transistor bipolaire. Alors comme aujourd’hui, il avait trois connexions : émetteur, base et collecteur. À l’intérieur, ils sont connectés à trois matériaux semi-conducteurs empilés les uns sur les autres. Il y a une tension entre l’émetteur et la base, avec le pôle positif à la base. Si la tension dépasse un certain seuil – environ 0,7 volt pour un transistor au silicium – la résistance chute et le transistor passe en conduction. De l’émetteur, les électrons s’écoulent ensuite dans la base, où certains d’entre eux sont piégés. Cependant, comme la couche de la base est très fine, seuls quelques électrons – moins d’un pour cent – s’y coincent, la majorité inonde littéralement la base et afflue vers le collecteur. Par contre, si la tension entre émetteur et base est inférieure à la valeur de seuil, aucun courant ne circule dans la base et la résistance entre émetteur et collecteur devient infinie, aucun courant n’y circule non plus : le transistor est bloqué.

Le transistor fonctionne alors comme un interrupteur parfait et génère ainsi les états 1 et 0 dans les composants numériques. D’autre part, si la tension entre l’émetteur et la base varie de manière continue, cela conduit à une variation de courant continue importante dans le collecteur. L’analogie avec la triode en tant que régulateur de débit contrôlable vient ici à l’esprit : la base correspond à la grille.

Mais si vous plongez dans les principes physiques, l’analogie se termine rapidement. Alors qu’un champ électrique ralentit plus ou moins les électrons dans la triode, c’est un effet semi-conducteur dans le transistor. Les semi-conducteurs sont des substances qui ne sont ni un isolant, comme le verre ou le plastique, ni un conducteur parfait, comme les métaux. Ils se situent entre les deux, où exactement peut être réglé par le dopage. À cette fin, ces substances sont spécifiquement « contaminées » par des atomes étrangers, de sorte qu’il en existe deux types. Les atomes avec un excès d’électrons, par exemple le phosphore, obtiennent des conducteurs n, les atomes avec un excès de trous, par exemple le bore, le conducteur p. Excusez-moi : des trous ? Ce sont des atomes dépourvus d’électrons dans lesquels des électrons peuvent tomber, provoquant le déplacement (virtuel) des trous dans la direction opposée. La base du transistor bipolaire est constituée d’une fine couche dopée p qui capture certains des électrons de l’émetteur, ce qui entraîne le faible flux de courant décrit ci-dessus. En revanche, l’émetteur et le collecteur sont dopés n.

Mais ce n’est pas figé. En plus du transistor npn, il existe également des variantes pnp qui ont une structure inverse et où le courant circule dans le sens opposé. En fait, les premiers transistors étaient de type pnp constitués d’une puce semi-conductrice dopée n dans laquelle des dopants p étaient introduits par diffusion de part et d’autre, créant ainsi un émetteur et un collecteur. Les transistors modernes ont une structure beaucoup plus complexe, ils sont constitués de nombreuses couches disposées en trois dimensions avec différentes densités de dopage.

Concept de transistor – un cadeau de Noël d’époque

Le premier transistor n’avait rien de commun avec cela. Dans son expérience, Brattain a coupé la pointe d’un coin en polystyrène recouvert d’or, créant deux contacts en or étroitement espacés. Il pressa ce coin sur un cristal de germanium. Après le test du 23 décembre 1947, le lendemain, il décrit dans son cahier de laboratoire le premier circuit semi-conducteur qui amplifie la parole humaine d’un facteur 18. Le 24 décembre, l’équipe a présenté sa découverte – et a offert à son employeur un cadeau de Noël d’époque.

Les trois inventeurs ont reçu le prix Nobel de physique en 1956. La cérémonie à Stockholm était la dernière fois qu’ils se sont rencontrés. Ils étaient en désaccord: Brattain et Bardeen ont revendiqué la technologie pour eux-mêmes, et Shockley a soupçonné une trahison et a fondé sa propre entreprise.

(jle)