Transistor La petite histoire Comprendre simplement Domaines de présence Son interprétation dans l'avenir Les références Mais encore …

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La petite histoire  Up Page Origine, raisons, hasard 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 les diodes de détection des RADAR.   "Je me souviens comme si c'était hier: la nuit était déjà tombée, à la brise de mer fouettait contre les volets le fil de l'antenne clandestine allant du rebord du toit jusqu'à mon lit.   La veille, on avait fêté mes dix ans et je m'étais couché tard: j'aurai dû dormir déjà depuis une heure. Un peu ensommeillé, à la lumière d'une lampe électrique cachée sous les couvertures, tenant la galène dont l'achat avait fortement entamé mes économies, je cherchais son point sensible d'une main tremblante; le mince fil métallique spiralé s'acrochait aux facettes du cristal gris plombé scintillant dans son petit tube de verre.   Et soudain, le miracle: une musique lointaine et grésillante jaillit dans les écouteurs: mon premier poste radio marchait ..."   Moins de dix ans après, Bardeen et Brattain inventaient le transistor, descendant direct de cette mystérieuse galène utilisée tout juste comme un jouet sans que personne sache bien comment elle fonctionnait. Leur invention allait bouleverser la radio et toute l'électronique.   Avec l'avénement du transistor, il y a disparition du chauffage (procédé indispensable pour les diodes et triodes à tube). La puissance nécessaire de 0,5 à 5W pour les tubes s'avère donc être une économie.La miniaturisation a pu ainsi se produire.

Comprendre simplement  Up Page Transistor bipolaire 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 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.

Domaines de présence  Up Page Transistor à effet de champ 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 les caractéristiques du semi-conducteur et permet le passage du courant. La quasi-totalité des transistors des circuits complexes (par exemple ceux des microprocesseurs) est de ce type.   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 et le semi-conducteur du canal. Ce problème ne fut vraiment résolu qu'en 1960 par Attala par l'utilisation de l'oxyde de silicium thermique. Je me souviens d'avoir vu un transistor à effet de champ annulaire, appelé "Tecnetron" (inventé par Tezner) dans une exposition à cette époque.

Son interprétation dans l'avenir  Up Page Nouveau record de fréquence Milton Feng et Walid Hafez de l'Université d'Illinois à Urbana Champaign ont récemment battu leur propre record du transistor le plus rapide (Voir Lettre Sciences Physiques 8 décembre 2003) fonctionnant à une fréquence d'horloge de 604 GHz (le précédent record était de 509 GHz). Les chercheurs ont utilisé des matériaux de la famille des semiconducteurs III-V, le In-P et le In-Ga-As, pour réaliser un transistor bipolaire à hétéro-jonctions (HBT). Ce type de composant est très différent des transistors à effet de champ largement utilisés en microélectronique et fonctionne à des fréquences supérieures aux MOSFETs. Le principe de fonctionnement d'un transistor HBT est celui d'un bipolaire traditionnel: les électrons, injectés à partir de l'émetteur, traversent la base et sont ensuite récupérés par le collecteur. Dans un HBT, les matériaux qui constituent les différentes parties du transistor sont différents de sorte que les jonctions émetteur-base et base-collecteur s'accompagnent d'une variation du gap. Les chercheurs de Urbana Champaign ont introduit une variation de la teneur en Indium dans la base et le collecteur, qui sont donc contraints, provoquant un retrécissement du gap. Ils obtiennent ainsi une augmentation de la mobilité des électrons, ne augmentation de la densité de courant et des temps de commutation améliorés. L'utilisation de cette technique de dosage graduel d'Indium pourrait être exploitée pour réaliser des transistors qui pourraient fonctionner dans le domaine du TéraHertz.   Transistor moléculaire L'équipe du Dr Robert Wolkow, professeur de physique à l'Université d'Alberta et titulaire d'une chaire de recherche en nanotechnologies de l'information et de la communication, a montré qu'il était possible de construire des circuits électroniques à l'échelle moléculaire. Il s'agit d'une percée qui pourrait faire voler en éclats les limites conventionnelles régulant la technologie des transistors et conduire à des composants microélectroniques encore plus petits, plus rapides et moins chers. Ce groupe de développement de technologies à l'échelle moléculaire, issu de l'Institut National des Nanotechnologies du NRC (National Research Council), vient de publier un rapport à ce sujet dans le numéro de juin 2005 de Nature. Wolkow affirme qu'il est possible de charger une unique molécule, celles l'entourant restant neutres, et de lui faire jouer ainsi le rôle d'un transistor basic. Les transistors contrôlent le flux de courant dans la plupart des appareils électroniques et sont combinés pour former des circuits imprimés. Ces mêmes circuits imprimés sont utilisés dans les microprocesseurs et puces mémoires qui commandent tout l'électronique qui nous entoure, depuis notre ordinateur jusqu'à notre téléphone portable et nos appareils ménagers. Alors que les transistors traditionnels peuvent utiliser un million d'électrons pour modifier le courant, l'équipe de Wolkow a réussi à contrôler le courant traversant une molécule hydrocarbonée en influant sur un seul de ses atomes. D'après lui, alors que le chemin à parcourir pour des applications pratiques reste encore long, le concept testé par son équipe répond parfaitement à la définition d'un transistor, avec trois bornes : 'in', 'out' et une sortie de contrôle. Pour résoudre les problèmes d'échelle - il est impossible de connecter une molécule à des 'fils' conducteurs traditionnels - la molécule transistor a été placée sur une surface de silicone préalablement exposée à l'hydrogène de manière à ce que chaque atome de silicone soit recouvert d'un atome d'hydrogène; lorsqu'on enlève cet atome d'hydrogène sur un atome de silicone, celui-ci peut faire office de conducteur alors que les autres atomes restent neutres. La pointe d'un puissant microscope à balayage sert ensuite d'interrupteur on / off.   Transistor plastique Le couple de chercheurs Chua Lay et Assistant professor Peter Ho, du département de physique de NUS ont développé le premier N-transistor en plastique, en collaboration avec l'université de Cambridge. Si d'autres avaient auparavant essayé de mettre au point de tels transistors, ceux-ci ne fonctionnaient pas correctement. Ils ont trouvé la solution en modifiant le matériau isolant et donnant ainsi au plastique les propriétés des semi-conducteurs et du métal. Cette avancée est prometteuse pour l'utilisation du plastique dans la fabrication des composants, permettant aisni d'imaginer des écrans souples, des posters lumineux flexibles et démontre le succès des partenariats internationaux en matière de recherche.

Les références  Up Page Réseau Pepe BE Canada BE Etats-Unis BE Singapour Science & Vie février 1963 n°545   Pourquoi ce site Je crois que, si les êtres humains que nous sommes ne parviennent pas toujours à évoluer comme ils le souhaiteraient _à s'épanouir professionnellement, sentimentalement et sexuellement (ce que j'appelle les trois pôles d'intérêts) c'est parce qu'il y a des barrages qui entravent leur désir d'accéder à un rêve inachevé. Je pars du principe que tout est possible, à condition de s'entourer de gens qui nous poussent à croire en nous.   Contribuer au Réseau Pepe Ce site est avant tout une encyclopédie ouverte à l'imagination et au savoir, où chacun(e) d'entre vous peut participer. Si vous avez envie de partager une passion, ou si vous sentez le besoin de vous exprimer sur un point précis, je vous invite à m'adresser un e-mail (adresse électronique accessible sur ma page d'accueil).

Mais encore …  Up Page Tout le problème de la radio peut se ramener à cette proposition simple: une onde porteuse à haute-fréquence est modulée par un courant basse fréquence qui "épouse" les vibrations sonores émises devant le micro. Ces ondes vont rayonner à partir de l'antenne d'émission et seront captées par l'antenne du récepteur. La détection consiste à extraire de sa porteuse le courant B.F. qui, amplifié, traduira en sons ses variations d'amplitudes.   Convertir la voix 1ière étape: Courant basse fréquence Le téléphone, instrument familier, convertit les vibrations sonores de notre voix en un courant électrique irrégulier au moyen d'un micro habituellement composé d'une pastille charbonneuse sur laquelle appuie une membrane métallique mince: la résistance électrique de la pastille varie selon la pression exercée par la membrane, et le courant qui réussit à la traverser (en provenance d'une source situé au central téléphonique) varie donc de la même façon. Il s'en retourne le long du fil, transportant dans ses creux et ses crêtes l'image de notre voix vers l'écouteur de notre correspondant où, passant dans un électro-aimant, il fera vibrer par une attraction variée la membrane métallique qui reproduira les sons. Ce courant, qui porte l'information sonore, est baptisé courant basse fréquence (BF), ses creux et ses crêtes défilant à la cadence de quelques milliers par seconde, ce qui est peu dans le domaine électrique. Un courant passant dans un fil crée autour de lui un champ magnétique dont l'action se fait sentir à distance. A l'inverse, un champ magnétique variable crée un courant dans  tout corps conducteur, courant d'autant plus élevé que la champ varie rapidement. Là, réside la clef de la radio.   2ième étape: Courant haute fréquence Si l'on envoie dans une antenne émettrice le courant B.F., même très amplifié, sa rapidité de variation (et donc celle du champ qu'il produit) est beaucoup trop faible pour produire en effet à distance suffisante. Ce qu'il faut, c'est lui faire enfourcher le coursier rapide, le porteur qui le transportera à l'autre bout de la Terre maintenant à travers le système solaire: ce porteur, c'est le courant haute fréquence (H.F.) qu'on fera circuler dans l'antenne. Sa fréquence sera très élevée: changeant de sens plusieurs millions de fois par seconde (fréquence ou cycle), il produira un champ puissant variant à la même cadence et qui s'éloignera sous forme de vagues électromagnétiques partant de l'antenne, à la vitesse de la lumière.   3ième étape: Modulation Sur ce courant H.F., pendant qu'il circule dans les organes de l'émetteur, on imprime en quelque sorte la forme du courant B.F. venant du micro: on dit qu'on "module" le courant H.F. par le courant B.F. Alors seulement, on amplifie une dernière fois ce courant H.F. modulé et on l'envoie dans l'antenne d'où il rayonne sous forme de vagues électeomagnétiques.   4ième étape: Champ induit Ce champ variable rayonné par l'antenne induit un faible courant, identique au courant H.F. modulé, dans tous les objets conducteurs: l'anneau que vous portez au doigt, les branches métalliques de vos lunettes, les clous de vos chaussures, sont parcourus sans arrêt par un incroyable enchevêtrement de courants H.F. en provenance de centaines d'émetteurs ... Le problème de la réception consiste à amplifier ces courants, puis à les appliquer au bobinage d'un écouteur ou mieux d'un haut-parleur. Mais si l'on se borne à les amplifier seulement, la membrane du haut-parleur soumise à une attraction changeant de sens des millions de fois par seconde restera absolument immobile, incapable de suivre le rythme.   5ième étape: Redresseur Un élément nouveau doit intervenir, un véritable clapet quiredresse le courant H.F. en ne laissant passer que dans un seul sens, ce qui restituera "en pointillé" le courant B.F. par une série de "pointes" de courant H.F. plus ou moins hautes qui passeraient plus ou moins fort dans la même direction, la membrane du haut-parleur reproduisant le son initial. C'est cette indispensable opération, dite de détection, qu'accomplit de façon difficilement reproductible d'ailleurs le contact fil métallique-cristal de galène. Si l'antenne de réception est assez longue et proche de la station d'émission, le courant généré y est assez fort pour actionner directement des écouteurs, sans aucune amplification. Mais ce mode de transmission est très limité en performance: il est indispensable d'amplifier dès qu'on veut utiliser un haut-parleur ou écouter une station un peu lointaine, ce rôle étant rempli tant à la réception qu'à l'émission, par des tubes à vide, ou lampes de T.S.F.   A noter que la fréquence de la porteuse H.F.  de l'émetteur qui doit être d'une grande précision est générée par un oscillateur pilote dont le cœur est un cristal de quartz maintenu à température constante.   Tube diode et tube triode Un courant électrique est constitué par un flot d'électrons (grains d'électricité négative) qui se déplacent dans un conducteur ...ou dans le vide. Introduisons dans une ampoule de verre un gros fil métallique que nous appelerons cathode, et une plaque également métallique placée dans son voisinage et que nous appelerons anode, ou tout simplement plaque, l'une et l'autre étant reliées à des connexions extérieures.. Vidons l'ampoule de son air dont les molécules gêneraient le passage des électrons, et chauffons la cathode par un moyen quelconque (résistance électrique de chauffage par exmple). Elle rougit, et s'entoure d'un nuage d'électrons qui jaillissent de sa surface et y retombe presque aussitôt, leur jaillissement étant provoqué lar le chauffage de la cathode (un corps chaud est un corps dont les atomes vibre richement).   Diode Si la température est suffisamment élevée, un électron est de temps en temps éjecté, ce qui rend le corps positif et provoque l'attraction de l'électron négatif qui retombe. Connectons maintenant le pôle négatif d'une pile à la cathode, et le pôle positif à la plaque: les électrons entourant la cathode sont attirés par la plaque et franchissent l'espace de séparation, puis tombe sur la plaque, le pôle négatif de la pile fournissant sans cesse de nouveaux électrons à la cathode. Un courant continu s'établit dans le circuit en traversant le vide à l'intérieur de l'ampoule. Inversons les connexions de la pile: la plaque devenue négative n'attire plus les électrons, aucun courant ne passe. Le voilà réalisé, notre clapet électronique: c'est la diode à vide.   Triode Ajoutons maintenant une troisième électrode, une fine grille métallique entre cathode et plaque. C'est ce que fit Lee de Forest en 1906. Connectons à nouveau notre pile, plus à la plaque, moins à la cathode. Comme précédemment, le courant passe, les électrons passant à travers les mailles de la grille. A l'aide d'une deuxième pile, rendons maintenant la grille négative par rapport à la cathode (on dit que la grille est "polarisée" négativement). Les électrons sont repoussés par cette grille négative qui les empêche d'atteindre la plaque: la polarisation de la grille contrôle le passage du flot d'électrons. Negative, elle le bloque, positive elle l'accélère. Cette géniale invention est la triode. Moyennant une insignifiante dépense de courant (nulle en théorie) pour régler la polarisation de la grille, on règle du coup le débit d'un courant beaucoup plus important fourni par la première pile. Si donc l'on envoie le courant B.D. ou H.F. à amplifier sur la grille, on recueille sur plaque un courant identique beaucoup plus important.   La fréquence de la porteuse H.F. de l'émetteur, qui doit être d'une grande précision, est générée par un oscillateur pilote dont le cœur est un cristal de quartz maintenu à température constante. Munis de perfectionnements nombreux  par rapport à la triode, les tubes à vide à électrodes multiples (tétrodes, pentodes, heptodes, octodes, etc ...) régnaient en maîtres sur toute l'électronique, lorsqu'en 1948 une découverte remarquable vient tout bouleverser, le transistor. Comme pour la diode à jonction, disparition du chauffage, donc du dégagement de calories et l'absorption de puissance électrique (0,5 à 5 W pour les tubes les plus courants), réduction de la taille à celle d'un pois chiche au moins, et surtout grosse diminution des tensions d'alimentation qui sont maintenant de l'ordre de la dizaine de volts et non plus des centaines de volts comme pour les tubes à vide où l'on doit  attirer les électrons suffisamment pour leur faire franchir l'espace cathode-plaque.