Comment fonctionnait le premier transistor

Même ses inventeurs n'ont pas entièrement compris le transistor à point de contact

Une photo publicitaire AT&T de 1955 montre [dans la paume, de gauche à droite] un phototransistor, un transistor à jonction et un transistor à contact ponctuel.

La triode à tube à vide n'avait pas tout à fait 20 ans lorsque les physiciens ont commencé à essayer de créer son successeur, et les enjeux étaient énormes. Non seulement la triode avait rendu possible la téléphonie longue distance et le son des films, mais elle dirigeait toute l'entreprise de la radio commerciale, une industrie qui valait plus d'un milliard de dollars en 1929. Mais les tubes à vide étaient énergivores et fragiles. Si une alternative plus robuste, fiable et efficace à la triode pouvait être trouvée, les récompenses seraient immenses.

L'objectif était un dispositif à trois bornes composé de semi-conducteurs qui accepterait un signal à faible courant dans une borne d'entrée et l'utiliserait pour contrôler le flux d'un courant plus important circulant entre deux autres bornes, amplifiant ainsi le signal d'origine. Le principe sous-jacent d'un tel dispositif serait ce qu'on appelle l'effet de champ - la capacité des champs électriques à moduler la conductivité électrique des matériaux semi-conducteurs. L'effet de champ était déjà bien connu à cette époque, grâce aux diodes et aux recherches connexes sur les semi-conducteurs.

Cet article fait partie de notre dossier spécial sur le 75e anniversaire de l'invention du transistor.

Mais la construction d'un tel appareil s'est avérée un défi insurmontable pour certains des meilleurs physiciens du monde pendant plus de deux décennies. Des brevets pour des dispositifs de type transistor avaient été déposés à partir de 1925, mais le premier exemple enregistré d'un transistor fonctionnel était le légendaire dispositif de contact ponctuel construit aux AT&T Bell Telephone Laboratories à l'automne 1947.

Bien que le transistor à contact ponctuel ait été l'invention la plus importante du XXe siècle, il n'existe, étonnamment, aucun compte rendu clair, complet et faisant autorité sur la façon dont la chose fonctionnait réellement. Les transistors à jonction et planaires modernes et plus robustes reposent sur la physique dans la masse d'un semi-conducteur, plutôt que sur les effets de surface exploités dans le premier transistor. Et relativement peu d'attention a été accordée à cette lacune dans la recherche.

Sur la photo en coupe d'un point de contact, deux conducteurs fins sont visibles ; ceux-ci se connectent aux points qui entrent en contact avec une petite plaque de germanium. L'un de ces points est l'émetteur et l'autre le collecteur. Un troisième contact, la base, est fixé au verso du germanium. AT&T ARCHIVES AND HISTORY CENTER

C'était un assemblage disgracieux de germanium, de plastique et de feuille d'or, le tout surmonté d'un ressort ondulé. Ses inventeurs étaient un théoricien du Midwest à la voix douce, John Bardeen, et un expérimentateur volubile et "quelque peu volatil", Walter Brattain. Tous deux travaillaient sous William Shockley, une relation qui se révélera plus tard controversée. En novembre 1947, Bardeen et Brattain sont bloqués par un simple problème. Dans le semi-conducteur au germanium qu'ils utilisaient, une couche superficielle d'électrons semblait bloquer un champ électrique appliqué, l'empêchant de pénétrer dans le semi-conducteur et de moduler le flux de courant. Pas de modulation, pas d'amplification du signal.

Vers la fin de 1947, ils trouvèrent une solution. Il comportait deux morceaux de feuille d'or à peine séparés doucement poussés par ce ressort ondulé dans la surface d'une petite plaque de germanium.

Les manuels et les récits populaires ont tendance à ignorer le mécanisme du transistor à contact ponctuel en faveur d'une explication du fonctionnement de ses descendants les plus récents. En effet, l'édition actuelle de cette bible des EE de premier cycle, L'art de l'électronique par Horowitz et Hill, ne fait aucune mention du transistor à contact ponctuel, dissimulant son existence en déclarant à tort que le transistor à jonction était une "invention lauréate du prix Nobel en 1947". Mais le transistor qui a été inventé en 1947 était le point-contact ; le transistor à jonction a été inventé par Shockley en 1948.

Il semble donc approprié que l'explication la plus complète du transistor à contact ponctuel soit contenue dans la conférence de John Bardeen pour ce prix Nobel, en 1956. Même ainsi, sa lecture vous donne l'impression que quelques détails fins ont probablement échappé même aux inventeurs eux-mêmes. "Beaucoup de gens étaient troublés par le transistor à point de contact", explique Thomas Misa, ancien directeur de l'Institut Charles Babbage pour l'histoire des sciences et de la technologie, à l'Université du Minnesota.

Les manuels et les récits populaires ont tendance à ignorer le mécanisme du transistor à contact ponctuel en faveur d'une explication du fonctionnement de ses descendants les plus récents.

Un an après la conférence de Bardeen, RD Middlebrook, professeur de génie électrique à Caltech qui allait faire un travail de pionnier en électronique de puissance, écrivait : « En raison de la nature tridimensionnelle de l'appareil, l'analyse théorique est difficile et le fonctionnement interne n'est, en fait, pas encore complètement compris.

Néanmoins, et avec le bénéfice de 75 ans de théorie des semi-conducteurs, nous y voilà. Le transistor à contact ponctuel a été construit autour d'une plaque de la taille d'un pouce de germanium de type n, qui contient un excès d'électrons chargés négativement. Cette dalle a été traitée pour produire une couche de surface très mince de type p, ce qui signifie qu'elle avait un excès de charges positives. Ces charges positives sont appelées trous. Ce sont en fait des déficiences localisées d'électrons qui se déplacent parmi les atomes du semi-conducteur à peu près comme le ferait une vraie particule. Une électrode électriquement mise à la terre était fixée au bas de cette dalle, créant la base du transistor. Les deux bandes de feuille d'or touchant la surface formaient deux autres électrodes, appelées émetteur et collecteur.

C'est la configuration. En fonctionnement, une petite tension positive - juste une fraction de volt - est appliquée à l'émetteur, tandis qu'une tension négative beaucoup plus importante - 4 à 40 volts - est appliquée au collecteur, le tout en référence à la base mise à la terre. L'interface entre la couche de type p et la dalle de type n a créé une jonction semblable à celle que l'on trouve dans une diode : essentiellement, la jonction est une barrière qui permet au courant de circuler facilement dans une seule direction, vers une tension plus basse. Ainsi, le courant pourrait circuler de l'émetteur positif à travers la barrière, alors qu'aucun courant ne pourrait traverser cette barrière dans le collecteur.

Le transistor à contact ponctuel Western Electric Type-2 a été le premier transistor à être fabriqué en grande quantité, en 1951, dans l'usine Western Electric d'Allentown, en Pennsylvanie. En 1960, lorsque cette photo a été prise, l'usine était passée à la production de transistors à jonction. AT&T ARCHIVES AND HISTORY CENTER

Maintenant, regardons ce qui se passe parmi les atomes. Tout d'abord, nous allons déconnecter le collecteur et voir ce qui se passe autour de l'émetteur sans lui. L'émetteur injecte des charges positives - des trous - dans la couche de type p, et elles commencent à se déplacer vers la base. Mais ils ne se dirigent pas droit vers elle. La couche mince les oblige à s'étaler latéralement sur une certaine distance avant de traverser la barrière dans la dalle de type n. Pensez à verser lentement une petite quantité de poudre fine sur la surface de l'eau. La poudre finit par couler, mais d'abord elle s'étale en un cercle rugueux.

Maintenant, nous connectons le collecteur. Même s'il ne peut pas tirer de courant par lui-même à travers la barrière de la jonction pn, sa grande tension négative et sa forme pointue entraînent un champ électrique concentré qui pénètre dans le germanium. Parce que le collecteur est si proche de l'émetteur et qu'il est également chargé négativement, il commence à aspirer de nombreux trous qui se propagent à partir de l'émetteur. Ce flux de charge se traduit par une concentration de trous près de la barrière pn sous le collecteur. Cette concentration abaisse efficacement la "hauteur" de la barrière qui empêcherait autrement le courant de circuler entre le collecteur et la base. Avec la barrière abaissée, le courant commence à circuler de la base dans le collecteur - beaucoup plus de courant que ce que l'émetteur met dans le transistor.

La quantité de courant dépend de la hauteur de la barrière. De petites diminutions ou augmentations de la tension de l'émetteur font fluctuer la barrière vers le haut et vers le bas, respectivement. Ainsi, de très petits changements dans le courant de l'émetteur contrôlent de très grands changements au niveau du collecteur, alors voilà ! Amplification. (Les EE remarqueront que les fonctions de la base et de l'émetteur sont inversées par rapport à celles des transistors ultérieurs, où la base, et non l'émetteur, contrôle la réponse du transistor.)

Aussi disgracieux et fragile qu'il soit, c'était un amplificateur à semi-conducteur, et sa progéniture allait changer le monde. Et ses inventeurs le savaient. Le jour fatidique fut le 16 décembre 1947, lorsque Brattain eut l'idée d'utiliser un triangle en plastique ceinturé par une bande de feuille d'or, avec cette minuscule fente séparant les contacts de l'émetteur et du collecteur. Cette configuration offrait un gain de puissance fiable, et le duo savait alors qu'ils avaient réussi. Dans sa maison de covoiturage cette nuit-là, Brattain a dit à ses compagnons qu'il venait de faire "l'expérience la plus importante que j'aie jamais faite de ma vie" et leur a juré de garder le secret. Le taciturne Bardeen, lui aussi, n'a pas pu s'empêcher de partager la nouvelle. Alors que sa femme, Jane, préparait le dîner ce soir-là, il aurait dit simplement : "Nous avons découvert quelque chose aujourd'hui". Alors que leurs enfants se promenaient dans la cuisine, elle a répondu: "C'est bien, ma chérie."

C'était un transistor, enfin, mais c'était assez branlant. Les inventeurs ont ensuite eu l'idée de former électriquement le collecteur en y faisant passer des courants importants lors de la fabrication du transistor. Cette technique leur a permis d'obtenir des flux de courant un peu plus importants qui n'étaient pas si étroitement confinés dans la couche de surface. La formation électrique était un peu aléatoire, cependant. "Ils se contentaient de jeter ceux qui ne fonctionnaient pas", note Misa.

Néanmoins, des transistors à contact ponctuel sont entrés en production dans de nombreuses entreprises, sous licence d'AT&T, et, en 1951, dans la propre branche de fabrication d'AT&T, Western Electric. Ils ont été utilisés dans les prothèses auditives, les oscillateurs, les équipements de routage téléphonique, dans un récepteur de télévision expérimental construit à RCA et dans le Tradic, le premier ordinateur numérique aéroporté, entre autres systèmes. En fait, les transistors à contact ponctuel sont restés en production jusqu'en 1966, en partie en raison de leur vitesse supérieure par rapport aux alternatives.

Le jour fatidique fut le 16 décembre 1947, lorsque Brattain eut l'idée d'utiliser un triangle en plastique ceinturé par une bande de feuille d'or…

Le groupe Bell Labs n'était pas seul dans sa poursuite réussie d'un transistor. A Aulnay-sous-Bois, une banlieue nord-est de Paris, deux physiciens allemands, Herbert Mataré et Heinrich Welker, tentaient également de construire un amplificateur à semi-conducteur à trois bornes. Travaillant pour une filiale française de Westinghouse, ils suivaient des observations très intrigantes que Mataré avait faites lors du développement de redresseurs au germanium et au silicium pour l'armée allemande en 1944. Les deux ont réussi à créer un transistor à point de contact fiable en juin 1948.

Ils furent stupéfaits, une semaine plus tard environ, lorsque Bell Labs révéla enfin la nouvelle de son propre transistor, lors d'une conférence de presse le 30 juin 1948. Bien qu'ils aient été développés de manière totalement indépendante et en secret, les deux appareils étaient plus ou moins identiques.

Ici, l'histoire du transistor prend une tournure étrange, époustouflante par sa brillance et aussi dérangeante par ses détails. Le patron de Bardeen et Brattain, William Shockley, était furieux que son nom ne soit pas inclus avec celui de Bardeen et Brattain sur la demande de brevet originale pour le transistor. Il était convaincu que Bardeen et Brattain avaient simplement transformé ses théories sur l'utilisation des champs dans les semi-conducteurs dans leur dispositif de travail, et ne lui avaient pas accordé suffisamment de crédit. Pourtant, en 1945, Shockley avait construit un transistor basé sur ces mêmes théories, et cela n'avait pas fonctionné.

En 1953, l'ingénieur RCA Gerald Herzog a dirigé une équipe qui a conçu et construit le premier téléviseur "tout transistor" (même si, oui, il avait un tube à rayons cathodiques). L'équipe a utilisé des transistors à point de contact produits par RCA sous une licence de Bell Labs. TRANSISTOR MUSEUM JERRY HERZOG HISTOIRE ORALE

Fin décembre, à peine deux semaines après le succès initial du transistor à contact ponctuel, Shockley se rendit à Chicago pour la réunion annuelle de l'American Physical Society. Le soir du Nouvel An, enfermé dans sa chambre d'hôtel et alimenté par un puissant mélange de jalousie et d'indignation, il a commencé à concevoir son propre transistor. En trois jours, il a griffonné une trentaine de pages de notes. À la fin du mois, il avait la conception de base de ce qui allait devenir le transistor à jonction bipolaire, ou BJT, qui finirait par remplacer le transistor à contact ponctuel et régner en tant que transistor dominant jusqu'à la fin des années 1970.

Grâce aux connaissances tirées des travaux des laboratoires Bell, RCA a commencé à développer ses propres transistors à contact ponctuel en 1948. Le groupe comprenait les sept transistors illustrés ici, dont quatre ont été utilisés dans le téléviseur expérimental à 22 transistors de RCA construit en 1953. à droite].MUSÉE TRANSISTOR COLLECTION JONATHAN HOPPE

Le BJT était basé sur la conviction de Shockley que les charges pouvaient et devaient circuler à travers les semi-conducteurs en vrac plutôt qu'à travers une fine couche à leur surface. Le dispositif se composait de trois couches semi-conductrices, comme un sandwich : un émetteur, une base au milieu et un collecteur. Ils étaient alternativement dopés, il y avait donc deux versions : n-type/p-type/n-type, appelé « NPN », et p-type/n-type/p-type, appelé « PNP ».

Le BJT repose essentiellement sur les mêmes principes que le point de contact, mais il utilise deux jonctions pn au lieu d'une. Lorsqu'il est utilisé comme amplificateur, une tension positive appliquée à la base permet à un petit courant de circuler entre elle et l'émetteur, qui à son tour contrôle un courant important entre le collecteur et l'émetteur.

Prenons un appareil NPN. La base est de type p, elle a donc des trous en excès. Mais il est très fin et légèrement dopé, il y a donc relativement peu de trous. Une infime fraction des électrons entrant se combine avec ces trous et est retirée de la circulation, tandis que la grande majorité (plus de 97%) des électrons continue de circuler à travers la base mince et dans le collecteur, créant un fort flux de courant.

Mais ces quelques électrons qui se combinent avec des trous doivent être drainés de la base afin de maintenir la nature de type p de la base et le fort flux de courant qui la traverse. Cette élimination des électrons "piégés" est accomplie par un flux de courant relativement faible à travers la base. Ce filet de courant permet un flux de courant beaucoup plus fort dans le collecteur, puis hors du collecteur et dans le circuit du collecteur. Ainsi, en effet, le petit courant de base contrôle le plus grand circuit collecteur.

Les champs électriques entrent en jeu, mais ils ne modulent pas le flux de courant, ce que les premiers théoriciens pensaient nécessaire pour qu'un tel dispositif fonctionne. Voici l'essentiel : les deux jonctions pn dans un BJT sont chevauchées par des régions d'appauvrissement, dans lesquelles les électrons et les trous se combinent et il y a relativement peu de porteurs de charge mobiles. La tension appliquée à travers les jonctions crée des champs électriques à chacune, qui poussent des charges à travers ces régions. Ces champs permettent aux électrons de circuler depuis l'émetteur, à travers la base et dans le collecteur.

Dans le BJT, "les champs électriques appliqués affectent la densité des porteurs, mais comme cet effet est exponentiel, il suffit d'un peu pour créer beaucoup de courant de diffusion", explique Ioannis "John" Kymissis, directeur du département de génie électrique à l'Université de Columbia.

Les tout premiers transistors étaient d'un type connu sous le nom de contact ponctuel, car ils reposaient sur des contacts métalliques touchant la surface d'un semi-conducteur. Ils ont augmenté le courant de sortie - étiqueté "courant de collecteur" dans le diagramme du haut - en utilisant une tension appliquée pour surmonter une barrière au flux de charge. De petits changements au courant d'entrée, ou « émetteur », modulent cette barrière, contrôlant ainsi le courant de sortie.

Le transistor à jonction bipolaire réalise une amplification en utilisant à peu près les mêmes principes mais avec deux interfaces semi-conductrices, ou jonctions, plutôt qu'une. Comme avec le transistor à contact ponctuel, une tension appliquée surmonte une barrière et permet un flux de courant qui est modulé par un courant d'entrée plus petit. En particulier, les jonctions semi-conductrices sont chevauchées par des régions de déplétion, à travers lesquelles les porteurs de charge diffusent sous l'influence d'un champ électrique.Chris Philpot

Le BJT était plus robuste et fiable que le transistor à contact ponctuel, et ces caractéristiques l'ont amorcé pour la grandeur. Mais il a fallu du temps pour que cela devienne évident. Le BJT était la technologie utilisée pour fabriquer des circuits intégrés, depuis les premiers au début des années 1960 jusqu'à la fin des années 1970, lorsque les transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET) ont pris le relais. En fait, ce sont ces transistors à effet de champ, d'abord le transistor à effet de champ à jonction, puis les MOSFET, qui ont finalement réalisé le rêve vieux de plusieurs décennies d'un dispositif semi-conducteur à trois bornes dont le fonctionnement était basé sur l'effet de champ - l'ambition initiale de Shockley.

Un avenir aussi glorieux pouvait difficilement être imaginé au début des années 1950, lorsque AT&T et d'autres s'efforçaient de trouver des moyens pratiques et efficaces de fabriquer les nouveaux BJT. Shockley lui-même a littéralement mis le silicium dans la Silicon Valley. Il a déménagé à Palo Alto et en 1956 a fondé une entreprise qui a conduit le passage du germanium au silicium en tant que semi-conducteur électronique de choix. Les employés de son entreprise fonderont ensuite Fairchild Semiconductor, puis Intel.

Plus tard dans sa vie, après avoir perdu son entreprise à cause de sa terrible gestion, il est devenu professeur à Stanford et a commencé à promulguer des théories sans fondement et sans fondement sur la race, la génétique et l'intelligence. En 1951, Bardeen quitta les Bell Labs pour devenir professeur à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, où il remporta un deuxième prix Nobel de physique, pour une théorie de la supraconductivité. (Il est la seule personne à avoir remporté deux prix Nobel de physique.) Brattain est resté aux Bell Labs jusqu'en 1967, date à laquelle il a rejoint la faculté du Whitman College, à Walla Walla, Washington.

Shockley est mort un paria largement sans amis en 1989. Mais son transistor allait changer le monde, même s'il n'était toujours pas clair jusqu'en 1953 que le BJT serait l'avenir. Dans une interview cette année-là, Donald G. Fink, qui allait aider à établir l'IEEE une décennie plus tard, s'est demandé : « Est-ce un adolescent boutonneux, maintenant maladroit, mais prometteur pour l'avenir ? Ou est-il arrivé à maturité, plein de langueur, entouré de déceptions ?

C'était le premier, et toutes nos vies sont tellement meilleures à cause de cela.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé de décembre 2022 sous le titre "Le premier transistor et son fonctionnement".

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