Une petite histoire des transistors

par François Anceau


Pour commencer, il faut rappeler qu'il existe deux grandes familles de transistors:

- Les transistors bipolaires constitués d'une fine couche de semi-conducteur dopé d'un type entre deux zones de type opposé (par exemple NPN). La grande majorité des transistors présentés comme des composants isolés sont de cette famille.

- Les transistors à effet de champ qui se présentent comme de petites capacités dans laquelle l'une des armatures est en semi-conducteur dopé. L'application d'une tension sur l'autre armature change localement les caractéristiques du semi-conducteur ce qui permet le passage du courant. La quasi-totalité des transistors des circuits complexes (par exemple ceux des microprocesseurs) est de ce type.

 

transistors bipolaires, transistor MOS

 

Historique:

L'invention de l'effet transistor se situe dans un contexte qui trouve ses racines dans les début de la radioélectricité et dans la téléphonie. Depuis 1936 les Bell's lab cherchaient à remplacer les commutateurs électromécaniques des centraux téléphoniques par des dispositifs statiques plus fiables. D'autre part, la seconde guerre mondiale à provoqué un développement rapide des semi-conducteurs (germanium) pour réaliser les diodes de détection des RADAR.

Les matériaux semi-conducteurs

Les matériaux semi-conducteurs sont progressivement apparus avec la radio-électricité. D'abord la galène, puis l'oxyde de cuivre, le sélénium et enfin le germanium. Ces matériaux étaient poly-cristallins et étaient utilisés pour réaliser des détecteurs et des redresseurs. Les propriétés curieuses, et même versatiles, de ces matériaux ont interpellé les chercheurs. Les effets semi-conducteurs ne sont apparus qu'avec la mise au point de techniques de purification extrême. Il faut en effet obtenir une pureté de 10-12 pour pouvoir réaliser un transistor. Les premiers matériaux semi-conducteurs modernes (silicium dopé de type N et P) ont été réalisés par S. Ohl, JH. Scaff et HC. Theurer aux Bell's lab au début de 1940 sous la direction de WH. Brattain. Des jonctions PN furent ensuite réalisées et la technique de fabrication des monocristaux par tirage fut mise au point vers 1947. La théorie des semi-conducteurs s'était développée à partir des travaux théoriques de Brilloulin.

Le transistor à effet de champ

Le transistor à effet de champ a été inventé en 1925-1928 par JE. Lilienfeld. Un brevet a été déposé, mais aucune réalisation n'a été possible avant les années 60. Tous les chercheurs qui ont participé à la saga du transistor cherchaient d'abord à réaliser ce type de composant qu'ils considéraient comme des triodes à l'état solide (d'ou le nom de grille pour l'électrode de commande). Toutes ces tentatives aboutissaient sur des échecs. La difficulté provenait du contrôle de l'état de l'interface entre l'isolant de grille et le semi-conducteur du canal. Ce problème ne fut vraiment résolu qu'en fin 1959 par MM. Attala, D. Kahng et E. Labate par l'utilisation de l'oxyde thermique de silicium.
Je me souviens d'avoir vu un transistor à effet de champ annulaire, appelé "Tecnetron" (inventé au CNET par Tezner) dans une exposition à cette époque.

 

Le brevet du transistor à effet de champ et le premier transistor MOS

Le transistor bipolaire

Le transistor bipolaire a été inventé en deux temps: L'histoire retient que J. Bardeen et WH. Brattain des Bell's lab ont inventé le transistor à pointes. Ce dispositif a fonctionné pour la première fois le 23 décembre 1947. Il s'agissait d'un dispositif assez rustique, lent et instable. Il dérive directement des diodes à pointes au germanium qui ont longtemps été utilisées pour détecter les signaux RADAR. L'histoire dit que ces chercheurs effectuaient une mesure du champ de potentiel dans un semi-conducteur autour d'une pointe (certainement pour comprendre le comportement des diodes à pointes) lorsqu'un effet amplificateur est apparu quand la distance entre les deux pointes de mesure devenait très faible (une fraction de mm). En fait, la pointe de la diode produisait l'équivalent d'une petite zone dopée entourant sa zone de contact. Après diverses manipulations pour mettre en évidence cet effet, ils en sont arrivés à réaliser le premier transistor en utilisant du germanium monocristallin. Ses pointes étaient en or distantes de 5/100 mm. Les Bell's lab n'ont rendue public la découverte qu'en juin 1948. Le nom des électrodes des transistors bipolaires (base, émetteur, collecteur) vient de cette époque.

 

Le premier transistor (bipolaire) et son brevet

Sa version de production

Il faut mentionner qu'un chercheur Allemand Herbert F. Mataré avait remarqué en 1943 une "interférence" entre les deux pointes d'une duodiode destinée à diminuer le bruit de détection d'une onde radar. Embauché en France, après la guerre, par Westinghouse, il met au point un transistor à pointes, appelé transistron en juin 1948. Cette réalisation, indépendante des travaux des laboratoires Bell, s'est appuyée sur les travaux d'un autre Allemand, Heinrich Welker, également embauché par Westinghouse. Celui-ci a réussit à obtenir des mono-cristaux de germanium de qualité suffisante. Ce dispositif, beaucoup plus fiable que celui des laboratoires Bell, sera breveté en août 1948 et produit à grande échelle en France par Westinghouse.

   

Le transistron

Des variantes axiales du transistor à pointes oscillaient déjà à 300Mhz en fin 1952.

Le transistor à jonctions à été inventé (théoriquement!) un peu plus tard, par W. Shockley des Bell's lab qui essayait aussi, depuis 1936, de réaliser un transistor à effet de champ. Ce chercheur a déposé en 1948 un brevet sur un transistor mixte avec une pointe et une jonction, ce qui montre la progression de ses idées. Il a proposé le principe du transistor à jonction en 1949. Le premier prototype a été réalisé par les Bell's lab en avril 1950 (ou juillet 51!). Le 25 septembre 1951 des licences ont été proposées à la vente pour un prix de 25 000$. Les premiers transistors à jonctions industriels, dits "alliés", ont été fabriqués en posant deux gouttes d'indium de part et d'autre d'une fine plaquette de germanium monocristalin. A 600°C, l'indium diffusait dans le germanium en changeant son type. Il fallait que les deux zones diffusées soient très proches, sans qu'elles se touchent. Un transistor de ce type, appelé OC71 a été largement commercialisé par Philips, Mullard, National, Siemens, Valvo… à partir de 1954. Ce transistor se présentait comme un petit tube de verre peint en noir de 2 cm de long (avec un bout arrondi) et de 5mm de diamètre. Il était rempli de graisse au silicone dans laquelle se trouvait le transistor tenu par ses connexions. Ce dispositif était lent et très sensible à la température. La performance de ce type de transistor est directement liée à l'épaisseur de sa base. Les tenants des tubes riaient devant ces objets qui n'étaient vus alors comme des curiosités sans intérêt! Je possède un ouvrage, support du cours d'électronique de Sup Elec, de 1953 qui ne mentionne même pas les transistors!

 

Le transistor OC71

Les évolutions techniques qui ont amené aux transistors modernes et aux circuits intégrés sont apparues à la fin des années 50:

- utilisation du silicium en 1954 par Texas Instrument qui a permis d'obtenir une beaucoup plus grande stabilité en température

- utilisation de la technologie MESA (1957 Texas Instrument), puis PLANAR (1958 Fairchild) qui a ouvert la porte aux circuits intégrés.

L'utilisation industrielle des transistors a démarré, et s'est rapidement développée, dès le début des années 60, entraînant l'abandon rapide des tubes.

Les circuits intégrés

Un circuit intégré consiste en la réunion de tous les composants d'un montage sur la même pastille de silicium.
Le premier circuit intégré fut réalisé chez Texas Instrument le 12 septembre 1958 par Jack Kilby. A la même époque, Robert Noyce a aussi réalisé un circuit intégré chez Fairchild. Au début des années 70 sont apparus les premiers circuits intégrés à transistors à effet de champ (MOS). D'abord à grille métallique (PMOS grille alu) qui étaient assez lents!. Cette technologie s'est ensuite améliorée (passage au NMOS, puis au CMOS au début des années 80). La vitesse des transistors MOS s'est accrue au point de supplanter celle des transistors bipolaires dans les années 80.

Le premier circuit intégré de J. Kilby.

La caractéristique fondamentale d'un circuit intégré est la finesse de son dessin qui conditionne la taille de ses transistors et celle de ses connexions. Plus c'est petit, plus c'est rapide! Tout simplement parce que les capacités parasites sont plus petites. La taille actuelle des plus petits motifs est de 65nm, en constante diminution. Elle devrait être aux alentours de 25 nm en 2010.

 

 

Le nombre des transistors des circuits complexes augmente exponentiellement depuis le début des circuits intégrés (loi de Moore). La complexité des circuits actuels atteint 100 000 transistors. Elle devrait continuer à croître à ce rythme jusque, au moins, vers 2010.

 

 

 

Bibliographie:

G. Moore, Cramming more components onto integrated circuits, Electronics Vol 38 n° 8, 19 avril 1965

W. Shockley, The path of Junction Transistor, IEEE Transaction on Electron Devices, (reprise de 1976) nov 1984

M. Cand, E. Demoulin, J-L. Lardy, P. Senn, Conception des circuits intégrés MOS, Eyrolles 1986

F. Nebeker, The Electric Century, IEEE Spectrum, june 2000

C. Rumelhard, Les transistors, comment ça marche, Séminaire: L'électronique dans la société contemporaine, Musée du CNAM, 28 avril 2006

C. Rumelhard, Un transistor Français? Séminaire: L'électronique dans la société contemporaine, Musée du CNAM, 14 décembre 2007