A la lecture de mon récent blog @CHM « Qui a inventé la diode ? » Dag Spicer, conservateur principal du CHM, m’a signalé un traité érudit fascinant, « Singletons and Multiples in Scientific Discovery : A Chapter in the Sociology of Science », qui décrit comment les découvertes multiples et indépendantes de phénomènes scientifiques sont la norme plutôt que l’exception. L’auteur, Robert K. Merton, fait remonter cette compréhension au philosophe, homme d’État et scientifique élisabéthain Sir Francis Bacon.
Merton paraphrase également l’observation de Bacon selon laquelle « une fois le bon chemin suivi, des découvertes en nombre illimité surgiront du stock croissant de connaissances. » Ce modèle était facilement apparent dans l’histoire de la diode. Et comme le décrit ce blog, il s’est répété dans le développement du prochain grand bond en avant des dispositifs à semi-conducteurs, le transistor.
Au début du siècle dernier, les scientifiques savaient comment fabriquer une diode à deux bornes en plaçant une sonde métallique pointue en contact avec un cristal semi-conducteur. Ces diodes à contact ponctuel pouvaient transformer un signal oscillant en un signal régulier et ont trouvé une large utilisation comme détecteurs dans les récepteurs radio à cristal. Dans les années 1920, les inventeurs ont commencé à étudier l’utilisation des semi-conducteurs pour amplifier et commuter les signaux.
Les premiers amplificateurs à semi-conducteurs
Oleg V. Losev (1903 – 1942)
Certains des premiers travaux sur les amplificateurs à semi-conducteurs sont apparus en Europe de l’Est. En 1922-23, l’ingénieur russe Oleg Losev du laboratoire radio de Nizhegorod, à Leningrad, a découvert qu’un mode de fonctionnement spécial dans une diode à cristal de zincite (ZnO) à contact ponctuel permettait une amplification du signal jusqu’à 5 MHz. Bien que Losev ait expérimenté ce matériau dans des circuits radio pendant des années, il est mort lors du siège de Leningrad en 1942 et n’a pas pu défendre sa place dans l’histoire. Son travail est largement inconnu.
Un physicien austro-hongrois, Julius E. Lilienfeld, s’installe aux États-Unis et dépose en 1926 un brevet pour une « méthode et un appareil pour contrôler les courants électriques » dans lequel il décrit un dispositif d’amplification à trois électrodes utilisant un matériau semi-conducteur à base de sulfure de cuivre. On attribue à Lilienfeld l’invention du condensateur électrolytique, mais il n’existe aucune preuve qu’il ait construit un amplificateur fonctionnel. Son brevet, cependant, avait suffisamment de ressemblance avec le transistor à effet de champ ultérieur pour refuser les futures demandes de brevet pour cette structure.
Julius E. Lilienfeld (1882 -1963), Avec l’aimable autorisation de l’AIP Emilio Segre Visual Archives
Des scientifiques allemands ont également contribué à ces premières recherches. Alors qu’il travaillait à l’université de Cambridge, en Angleterre, en 1934, l’ingénieur électricien et inventeur allemand Oskar Heil a déposé un brevet sur le contrôle du flux de courant dans un semi-conducteur via un couplage capacitif à une électrode – essentiellement un transistor à effet de champ. Et en 1938, Robert Pohl et Rudolf Hilsch ont fait des expériences sur des cristaux de bromure de potassium avec trois électrodes à l’université de Gottingen. Ils ont constaté une amplification des signaux à basse fréquence (environ 1 Hz). Aucune de ces recherches n’a débouché sur des applications, mais Heil est aujourd’hui remémoré dans les cercles audiophiles pour son transformateur à mouvement d’air utilisé dans les haut-parleurs haute fidélité.
Les premiers transistors
En raison de leur faible fiabilité et de leur grande consommation d’énergie, à la fin des années 1930, les ingénieurs de l’American Telephone and Telegraph savaient que les circuits à tubes à vide ne répondraient pas à la demande rapidement croissante de l’entreprise pour augmenter la capacité des appels téléphoniques. Le directeur de la recherche des Laboratoires Bell, Mervin J. Kelly, chargea William Shockley d’étudier la possibilité d’utiliser la technologie des semi-conducteurs pour remplacer les tubes.
Utilisant des matériaux semi-conducteurs améliorés développés pour les détecteurs de radar pendant la guerre, Shockley expérimenta, au début de 1945, un amplificateur à effet de champ, dont le concept était similaire à ceux brevetés par Heil et Lilienfeld, mais il ne fonctionna pas comme il l’avait prévu. Le physicien John Bardeen suggère que les électrons à la surface du semi-conducteur pourraient bloquer la pénétration des champs électriques dans le matériau. Sous la direction de Shockley, avec le physicien Walter Brattain, Bardeen a commencé à rechercher le comportement de ces « états de surface. »
John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain en 1948, avec l’aimable autorisation des Laboratoires Bell Telephone
Le 16 décembre 1947, leurs recherches aboutissent à un amplificateur à semi-conducteurs réussi. Bardeen et Brattain appliquèrent deux contacts en or étroitement espacés et maintenus en place par une cale en plastique à la surface d’une petite plaque de germanium de haute pureté. Le 23 décembre, ils ont fait la démonstration de leur dispositif aux responsables du laboratoire et, en juin 1948, les Bell Labs ont annoncé publiquement le dispositif à semi-conducteurs révolutionnaire qu’ils ont appelé « transistor ».
Au début de la même année, alors qu’ils examinaient un phénomène qu’il appelait « interférence », le physicien allemand Herbert Mataré et son collègue Heinrich Welker ont fabriqué indépendamment un amplificateur à base de germanium avec deux contacts ponctuels touchant sa surface dans un laboratoire Westinghouse à Paris, en France. Lorsqu’ils apprirent l’annonce des Bell Labs, Mataré et Welker déposèrent une demande de brevet pour leur propre dispositif, qu’ils appelèrent « transistron ».
Amélioration du transistor
Réalisant que la structure à contact ponctuel présentait de sérieuses limites, et poussé par une jalousie professionnelle car il n’appréciait pas de ne pas être impliqué dans sa découverte, Shockley travailla seul pour concevoir un dispositif plus fiable et reproductible. Introduit en 1952, le transistor à jonction bipolaire de Shockley, fabriqué à partir d’une pièce solide de matériau semi-conducteur et sans contacts ponctuels, a dominé l’industrie pendant les 30 années suivantes. Les trois scientifiques des Bell Labs ont reçu le prix Nobel de physique en 1956 pour leurs contributions.
Au cours de la décennie suivante, de nombreuses méthodes de fabrication ont été développées pour produire des transistors plus rapides, moins chers et toujours plus fiables. Une avancée importante en 1954 fut le transistor en silicium, d’abord de Morris Tanenbaum aux Bell Labs et peu après d’une équipe dirigée par le chimiste Willis Adcock à la jeune société Texas Instruments. À la fin des années 1950, le silicium était devenu le matériau privilégié de l’industrie et TI le vendeur dominant de semi-conducteurs.
L’équipe de Texas Instruments chargée des transistors au silicium en 1954 : W. Adcock, M. Jones, E. Jackson et J. Thornhill, avec l’aimable autorisation de Texas Instruments, Inc.
Les fondateurs de Fairchild Semiconductor, une start-up de la Silicon Valley californienne, ont lancé leur entreprise en partant du principe qu’il fallait fabriquer un transistor en silicium encore meilleur. Les défis qu’ils ont dû relever au quotidien pour développer une nouvelle technologie sont décrits en détail dans plusieurs des cahiers de brevets de Fairchild de la collection du musée, notamment ceux rédigés par Gordon Moore et Sheldon Roberts. Coïncidant avec le début de la « course à l’espace », leur introduction en 1958 d’un transistor mésa en silicium à double diffusion fut un grand succès commercial. Les problèmes de fiabilité qui menaçaient l’avenir de l’entreprise ont été résolus grâce au procédé planaire révolutionnaire du physicien suisse Jean Hoerni. La technique planaire de Hoerni n’a pas seulement transformé la fabrication des transistors, passant d’une opération semi-artisanale à une production automatisée à haut volume. Elle a également permis le développement du circuit intégré (IC) moderne.
Le transistor MOS
Martin M. Atalla (1924 – 2009), Avec l’aimable autorisation de la famille Atalla
Les idées de Lilienfeld et Heil et les premières expériences ratées de Shockley ont finalement porté leurs fruits en 1959 lorsque, travaillant pour l’ingénieur égyptien Martin M. (John) Atalla sur l’étude des surfaces semi-conductrices aux Bell Labs, l’ingénieur électrique coréen Dawon Kahng a construit le premier transistor à effet de champ (FET) réussi comprenant un sandwich de couches de métal (M – grille), d’oxyde (O – isolation) et de silicium (S – semi-conducteur). Le MOSFET, populairement abrégé en MOS, promettait un transistor nettement plus petit, moins cher et de plus faible puissance.
Dawon Kahng (1931 – 1992), Courtesy NEC Corporation
Fairchild et RCA ont introduit des transistors MOS commerciaux en 1964. Mais dans la décennie qu’il fallut pour résoudre les premiers problèmes de fabrication du procédé MOS, les transistors individuels avaient été largement remplacés par des circuits intégrés dans les systèmes informatiques. À long terme, les transistors MOS se sont avérés l’approche la plus pratique pour construire des circuits intégrés à haute densité, tels que les microprocesseurs et les mémoires. Près de 100 % des milliards de transistors fabriqués chaque jour sont des dispositifs MOS.
Comme pour la plupart des développements technologiques, la création du transistor moderne a suivi le schéma baconien consistant à émerger progressivement du « stock croissant de connaissances » constitué par un ensemble véritablement international d’ingénieurs et de scientifiques plutôt que des efforts solitaires d’un seul « inventeur » héroïque. »
Contenu supplémentaire
- Réducteurs à semi-conducteurs brevetés en tant que détecteurs à moustache de chat
- Concepts de dispositifs semi-conducteurs à effet de champ brevetés
- Invention du transistor à contact ponctuel
- Conception du transistor à jonction
- Premiers transistors à jonction fabriqués
- D’un seul tenant.Junction Transistors Fabricated
- Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
- Invention of the « Planar » Manufacturing Process
- Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated