Qu'est-ce qu'un transistor ?

Le terme transistor provient de l’anglais TRANSfer res ISTOR (résistance de transfert). Parmi les noms proposés suivants - semiconductor triode, surface states triode, crystal triode, solid triode, iotatron - c’est le mot retenu par le comité directeur des Laboratoires Bells. Pour des raisons commerciales, il fallait un nom court, sans équivoque avec la technologie des tubes électroniques. Beaucoup plus petit, plus léger et plus robuste que le tube électronique, le transistor n’a pas besoin de temps de chauffage, ni d’une source de tension élevée. Toutefois, le coût de ce composant reste élevé.

Cristal Triode,  Iolation Surface, États Triode,Triode solide  ce sont là quelques-unes des premières appellations choisies par les inventeurs. Au départ, le projet est porté par Bell Telephone Laboratories. L’entreprise cherche alors un nom de baptême pour sa nouvelle trouvaille.

Au terme d’un vote effectué par le collège des ingénieurs travaillant sur le projet, c’est finalement le nomTransistor qui sera retenu. L’un des ingénieurs membres de l’équipe est à la base de cette appellation. Son nom est John R. Pierce. La proximité des ingénieurs avec le suffixe istor  peut expliquer le succès rencontré par ce nom.

Le terme transistor est le résultat de l’association de mots appartenant au champ lexical de l’électronique. Ce sont les mots transconductance, transfert et varistance. Son appartenance aux notions de varistance et de transconductance donne une valeur descriptive à cette combinaison.

Le mot transistor est censé rappeler un tube à vide doublé. Outre la capacité de conduction, le transistor serait également résistant. Dans une interview accordée à PBS Show John R. Pierce affirmait qu’à son avis, le transistor correspond aux notions de varistance et de thermistance qui sont des inventions similaires en vogue à cette époque.

Pour sa part, la fondation Nobel note que le lien entre transfert et résistance est ce qui donne un sens au mot transistor.

1925 : Julius Edgar Lilienfeld, un physicien austro-hongrois, propose le concept de transistor à effet de champ, un type de transistor qui utilise un champ électrique pour contrôler le flux de courant. A l’époque, ce concept ne débouche sur aucun dispositif semi-conducteur. Il est aujourd’hui le transistor utilisé dans les ordinateurs.

1948 : Les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs des Laboratoires Bell, inventent le transistor à jonction, appelé aussi « diode à double base ». Il remplit la même fonction qu’une triode à tube à vide mais il utilise des jonctions semi-conductrices au lieu d'électrodes chauffées dans une chambre à vide.

1949 : Deux physiciens allemands qui travaillent à Paris à la Compagnie des Freins et Signaux (CFS), Herbert Mataré et Heinrich Welker, développent de leurs côtés le Transistron, le transistor « français ».

1952 : Herbert Mataré crée l’entreprise Intermetall, la première entreprise à produire des transistors.

1953 : La première radio à transistor, fonctionnant sur piles, est présentée à la foire de Düsseldorf. Mais en pleine guerre froide, la France préfère consacrer son budget de recherche à l’atome et coupe les crédits à la CFS. La même année. à l'Université anglaise de Manchester, Richard Grimsdale et Douglas Webb présentent un prototype d'ordinateur à transistor, le « Manchester TC ».

1954 : Texas Instruments, connue jusqu’alors pour ses activités dans l’industrie pétrolière, s’associe à IDEA (Industrial Development Engineering Associates) pour industrialiser son prototype de poste radio à transistor : le RegencyTR-1 est le premier récepteur radio FM à transistor.

1956 : John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain sont couronnés du prix Nobel de physique pour l’invention du transistor. En France, le premier poste à transistors, le « Solistor » de la marque Clarville est salué par la presse spécialisée : elle parle d’une innovation technologique majeure qui va révolutionner nos habitudes. Mais, face à la gamme large et variée des postes à lampes, ce nouveau poste radio, avec son modèle unique, est d’abord un échec commercial.

1957 : IBM conçoit ses nouveaux ordinateurs avec des transistors au lieu de tubes à vide.

1958 : Jack Kilby fabrique tous les transistors à partir du même bloc matière et les métallise afin qu’ils deviennent des semi-conducteurs. Le premier circuit électronique intégré est né. Cette invention charnière va permettre l’envolée de la micro-informatique.

1959 : En un an, la production de postes à transistors est passé de de 20% à plus de 50%. Dans le même temps Europe n°1 lance « Salut les Copains », une émission pour les « jeunes ». La radio portative équipée de transistors et alimentée par des piles devient le transistor tout court, la radio des jeunes. Les « tubes » ne sont plus les composants du poste de radio à lampes, qui trône au milieu du salon des parents, et autour duquel on se rassemble le soir. Ce sont les tubes du « yé-yé » et du rock and roll, courants musicaux qui vont permettre à la jeunesse occidentale de la seconde moitié du XXe siècle de faire sa révolution.

1961 : 90% des postes vendus sont des transistors. Dans le même temps, L'IBM 7030 contient 17 000 transistors.

1966 : Selon une enquête de l’IFOP, la radio est le premier média des 15-20 ans.

2006 : En collaboration avec STC Microelectronics, des ingénieurs de l'université de Southampton sont parvenus à doter des transistors bipolaires au silicium conventionnels d'implants de fluor, pour les cadencer à la fréquence exceptionnelle de 110 GHz. Une fréquence deux fois supérieure à la fréquence en vigueur jusqu’alors.

2021 : Le Cerebras WSE-2 est le plus grand processeur du monde : il embarque 2600 milliards de transistors.

2022 : A l’heure des radios web et des podcasts que l’on écoute en Bluetooth depuis son smartphone, les transistors sont devenus des pièces de collection. Du côté du composant électronique, des scientifiques de l’Université de Technologie de Vienne ont conçu un transistor qui pourrait aider les appareils à fonctionner en parfaite harmonie avec l'IA.

Dans le domaine électronique, la miniaturisation débute avec l’invention du transistor. Au début, on se servait des tubes électriques pour numériser l’information. Mais ce dispositif montrera très vite ses limites, l’une d’elles étant la complexité de sa mise en œuvre. Ceci explique pourquoi les ingénieurs orientent leurs recherches vers la création des semi-conducteurs.

Ce changement de paradigme sera le point de départ d’une révolution dans le secteur de l’électronique. L’équipe d’inventeurs des laboratoires Bell ayant à sa tête les ingénieurs Brattain, Shockley et Bardeen est l’une des premières à s’engager sur ce chemin. 1947 est une année décisive pour ces derniers. Pour la première fois, ils réussissent une expérience fondamentale qui influencera la suite de leurs travaux.

Sur un cristal de germanium, ils parviennent à implanter deux électrodes. Le résultat obtenu à la fin de l’expérience est une amplification du signal. C’est le début d’une nouvelle ère. Dès 1948, l’équipe dépose un brevet pour son invention. Cette trouvaille ouvre la voie à une série de recherches de grande envergure. Celles-ci sont menées par différents laboratoires de recherches et permettent de mettre au point une large gamme de transistors aussi diversifiés les uns que les autres.

Parmi eux, Texas Instrument est un laboratoire qui s’illustre par la qualité de ses travaux. Le passage du germanium au silicium est un de leurs faits d’armes. L’année 1950 marque l’entrée en scène du transistor dans les équipements électroniques de pointe. La mise au point des premiers postes radio à transistor connaît une accélération grâce aux effets conjugués de la conquête de l’espace et de la guerre froide.

La faiblesse des coûts des composants miniaturisés est à la base du succès rencontré par cette technologie dans le secteur industriel. En 1959, deux innovations offrent l’occasion de passer à une nouvelle ère en matière de création et de diffusion des semi-conducteurs. Il s’agit du circuit intégré et du planar. Un circuit intégré est un semi-conducteur constitué d’une pièce unique.

Dans un circuit intégré, le matériau utilisé permet la réalisation des fonctions de divers composants électroniques. Le dépôt par J. Kilby du premier brevet de circuit intégré remonte à 1959. Ce dépôt est réalisé pour le compte du laboratoire Texas Instrument. Cette initiative coupe l’herbe sous les pieds des ingénieurs du laboratoire Fairchild qui, eux aussi, faisaient des recherches allant dans le même sens. S’ils ne parviennent pas à breveter cette invention avant leurs concurrents, les ingénieurs de Fairchild seront néanmoins les premiers à résoudre l’équation de la fabrication à grande échelle des circuits intégrés.

Le nom de ce procédé inspiré de la photogravure est le planar. Breveté en 1959, c’est en 1960 que le planar ouvre le vaste champ d’application au transistor. Aux USA, l’on estime à près de six cent millions d’unités, le nombre de transistors produits par les entreprises de fabrication en 1965.

L’arséniure de gallium, le carbure de silicium, le silicium, le germanium bien qu’obsolète, le silicium germanium et le nitrure de gallium sont quelques-uns des matériaux utilisés dans la fabrication des transistors. Les spécialistes font appel au silicium pour la plupart des applications.

Par leur côté exotique, les matériaux comme le nitrure de gallium s’utilisent pour la fabrication des transistors hyperfréquence et ceux présents dans les circuits électroniques des fours micro onde.

Il existe trois catégories de transistor : le transistor bipolaire, le transistor à effet de champ et le transistor MOS. Le transistor bipolaire est constitué de deux couches de substrat. Chaque couche est un semi-conducteur et leur dopage est identique. Une mince couche de semi-conducteur sépare les deux couches de substrat. Cette dernière inversement dopée est représentée ainsi qu’il suit : N-P-N et P-N-P. le transistor bipolaire fonctionne grâce à deux jonctions donc une directe et l’autre indirecte.

Le transistor à effet de champ (FET) est muni d’une grille qui fonctionne grâce à un effet de champ. Ce mode fonctionnement exclut le passage du signal électrique. Un barreau de semi-conducteur dopé le compose. Un anneau de semi-conducteur inversement dopé entoure le barreau. Le dopage du barreau permet d’identifier les canaux N et P.

Deux grandes familles de transistors FET sont disponibles sur le commerce. Ce sont les transistors MOSFET et les transistors JFET. Les propriétés des structures des transistors MOSFET sont celles du métal, de l’oxyde et du semi-conducteur. Quant aux transistors JFET, leurs propriétés sont celles des jonctions PN dont ils sont constitués.

Un barreau de semi-conducteur P ou N compose le transistor MOS. Une couche d’isolant est subtilement posée sur le barreau. La croissance de la couche se fait par épitaxie. Le dioxyde de silicium peut être utilisé pour cette opération et une électrode métallique surmonte le dispositif. Anciennement utilisés dans la création des oscillateurs, les transistors uni fonction sont aujourd’hui désuets et inexistants sur le commerce.

La technologie hybride communément appelée IGBT désigne une association entre les transistors bipolaires et MOSFET. On retrouve généralement ces composants dans l’électronique de puissance.

Les deux types de transistors à savoir les transistors à effet de champ (FET) et les transistors bipolaires s’utilisent respectivement dans les technologies numériques ou analogiques. À titre d’illustration, si le bipolaire est d’utilisation courante dans l’analogique et dans l’électronique de puissance, le numérique, pour sa part, fait davantage recours aux transistors FET et CMOS. Leur présence dans les circuits électroniques aide à réaliser les opérations de logique dans les ordinateurs et les serveurs informatiques. Les secteurs de l’automobile font régulièrement recours à ces composants pour la mise en place des commandes des moteurs. Dans l’électroménager, de nombreux systèmes de commandes des appareils électriques et électroniques sont équipés de ces composants.

Le transistor est un composant électronique qui permet le redressement, la modulation ou l’amplification des signaux électriques. De nos jours, il existe deux catégories de transistors sur le commerce : les transistors bipolaires et les transistors FET. La première catégorie est adaptée aux appareils de type analogique et la seconde équipe les appareils numériques. La mise au point du transistor en tant que semi-conducteur d’énergie a apporté une véritable révolution dans le monde de l’électronique.