Transistor

Un transistor est un petit morceau de semi-conducteur dans lequel un faible courant ou une faible tension commande un courant bien plus fort ; il peut ainsi amplifier un signal ou servir d'interrupteur. John Bardeen et Walter Brattain ont fabriqué le premier aux Bell Labs en décembre 1947, et une puce en contient aujourd'hui des milliards.

Ce que c’est

Un transistor est une vanne à courant électrique sans pièce mobile. Un petit courant ou une petite tension appliqués sur une borne commandent un courant bien plus grand entre les deux autres. Polarisé par un courant ou une tension continus bien choisis, il restitue un signal faible avec une amplitude bien plus grande : c’est l’amplification, son rôle dans une radio ou un appareil auditif. Basculé entre l’état complètement passant et l’état bloqué, il sert d’interrupteur, et un ordinateur est fait de milliards de ces interrupteurs.

À gauche, la planche montre le tout premier transistor, le dispositif à pointes construit par Bardeen et Brattain en 1947 : une plaquette de germanium sur un socle métallique, contre laquelle un ressort appuie un coin en plastique. Une bande de feuille d’or passe sur la pointe du coin ; fendue au rasoir, elle forme deux contacts qui touchent le germanium à une fraction de millimètre l’un de l’autre. À droite, un transistor à jonction des années 1950 dans son petit boîtier métallique, avec ses trois fils.

Comment ça marche

Les transistors sont faits de semi-conducteurs comme le germanium ou le silicium. Un cristal pur de ces éléments conduit mal le courant. Une infime trace d’un autre élément, ajoutée lors du dopage, modifie fortement sa conductivité. Le phosphore ou l’arsenic apportent des électrons en surplus : on obtient un matériau de type n. Le bore ou le gallium laissent des lacunes, les « trous », qui se comportent comme des charges positives : c’est le type p.

Avant 1950, le tube électronique remplissait la même fonction, mais il lui fallait un filament chaud, une ampoule de verre et bien plus d’énergie.

À la rencontre d’une zone p et d’une zone n se forme une jonction qui ne laisse passer facilement le courant que dans un sens. Un transistor à jonction empile trois couches, n-p-n ou p-n-p, appelées émetteur, base et collecteur. La base est très mince. Dans un transistor n-p-n, un petit courant injecté dans la base laisse passer du collecteur à l’émetteur un courant beaucoup plus fort, souvent cent fois plus ou davantage. Dans un transistor p-n-p, tous les sens sont inversés.

La plupart des transistors fabriqués aujourd’hui sont des transistors à effet de champ (MOSFET). Une tension appliquée sur une grille, isolée du silicium par une fine couche d’oxyde, ouvre ou ferme un étroit canal conducteur juste en dessous. Il n’entre presque aucun courant dans la grille tant que son état ne change pas. Dans les circuits CMOS des puces, un transistor consomme surtout au moment où il commute, et c’est l’une des raisons qui permettent d’en loger des milliards sur une seule puce.

Comment le construire

Les transistors modernes sortent d’usines à silicium ultrapur et salles blanches valant des milliards. Ce qui suit retrace la fabrication des premiers, dans l’ordre qu’un atelier de reconstruction suivrait : d’abord un détecteur à pointe, puis un transistor à pointes, et seulement ensuite les jonctions. Ce n’est pas une recette ; pour voir un transistor fonctionner, mieux vaut en utiliser un du commerce dans un montage en basse tension.

Se procurer un cristal adapté. Les dispositifs à pointes demandent un morceau de germanium de type n assez pur. Dans les années 1940, il provenait des travaux de guerre sur les détecteurs de radar. La galène (sulfure de plomb), le cristal à « moustache de chat » des premiers postes de radio, ne donne qu’une diode de détection rudimentaire.

Préparer la surface. On la dresse à plat puis on la décape, car le comportement des contacts en dépend. Cette étape fait appel à des acides forts et relève d’un laboratoire correctement équipé.

Réaliser les contacts. Deux pointes métalliques fines, ou une feuille d’or fendue sur un coin en plastique comme en 1947, doivent toucher le cristal tout près l’une de l’autre. Un ressort les maintient sous une pression légère et constante. Le dessous du cristal est soudé à un bloc métallique qui forme la troisième borne.

Former et tester. Les premiers fabricants « formaient » le contact collecteur en y envoyant de brèves impulsions de courant, ce qui améliorait le gain, puis mesuraient chaque transistor. Beaucoup de dispositifs ne fonctionnaient pas ; seuls ceux qui réussissaient les essais étaient conservés.

Passer aux jonctions. Les transistors à jonctions tirées exigent des cristaux tirés d’un bain fondu avec un dopage contrôlé, donc un four régulé avec précision sous atmosphère inerte. Les transistors à jonctions alliées, fabriqués dès le début des années 1950, s’obtenaient autrement : on fondait de petites pastilles d’indium sur les deux faces d’une mince plaquette de germanium. Ce sont dans les deux cas des procédés industriels.

Sécurité. Les acides de décapage brûlent la peau et les yeux ; l’acide fluorhydrique, employé pour décaper le silicium, peut empoisonner l’organisme à travers la peau, avec des symptômes retardés, même après une petite éclaboussure, et doit être laissé aux spécialistes. Il ne faut pas respirer les poussières de germanium ou de silicium. Le fer à souder brûle, et les anciennes soudures contiennent du plomb. Testez les montages en basse tension : le courant du secteur peut tuer.

Histoire et évolution

La Regency TR-1 de 1954 n’avait besoin que de quatre transistors.

Depuis les années 1920, les ingénieurs cherchaient à remplacer le tube à vide par un composant solide. Julius Lilienfeld dépose en 1925 un brevet de dispositif à effet de champ, mais aucun prototype fonctionnel n’est attesté. Après la Seconde Guerre mondiale, les Bell Labs créent un groupe de physique du solide dirigé par William Shockley pour trouver un amplificateur destiné au réseau téléphonique. Le dispositif à effet de champ de Shockley ne marche pas. John Bardeen attribue l’échec à des électrons piégés à la surface du cristal ; avec Walter Brattain, il essaie alors de faire passer le courant par des contacts ponctuels.

Le 16 décembre 1947, leur montage amplifie un signal. Une semaine plus tard, ils le présentent à la direction des Bell Labs. L’entreprise annonce l’invention à New York le 30 juin 1948, et l’ingénieur John Pierce invente le mot « transistor ». La même année à Paris, Herbert Mataré et Heinrich Welker mettent au point de leur côté un dispositif semblable, qu’ils baptisent « transistron ».

Un circuit intégré réunit de nombreux transistors et leurs connexions sur un seul morceau de silicium.

Les transistors à pointes étaient fragiles. En janvier 1948, Shockley conçoit le transistor à jonction, que les Bell Labs savent produire à partir de 1951. La radio de poche Regency TR-1, sortie en 1954, utilise quatre transistors au germanium de Texas Instruments et se vend à plus de 100 000 exemplaires. Le silicium, qui supporte mieux la chaleur, remplace ensuite le germanium.

En 1958, Jack Kilby, chez Texas Instruments, réalise le premier circuit intégré sur un petit barreau de germanium. Mohamed Atalla et Dawon Kahng font la démonstration du transistor MOS aux Bell Labs en 1960. Bardeen, Brattain et Shockley partagent le prix Nobel de physique en 1956. Depuis, les transistors n’ont cessé de rapetisser, et le transistor MOS est aujourd’hui l’objet manufacturé produit en plus grand nombre.