Dispositif semi-conducteur

Détecteur de moustaches de chatEdit

Les semi-conducteurs étaient utilisés dans le domaine de l’électronique depuis un certain temps avant l’invention du transistor. Au tournant du 20ème siècle, ils étaient assez courants comme détecteurs dans les radios, utilisés dans un dispositif appelé « cat’s whisker » développé par Jagadish Chandra Bose et d’autres. Ces détecteurs étaient toutefois quelque peu gênants : l’opérateur devait déplacer un petit filament de tungstène (le whisker) à la surface d’un cristal de galène (sulfure de plomb) ou de carborundum (carbure de silicium) jusqu’à ce qu’il se mette soudainement à fonctionner. Puis, sur une période de quelques heures ou jours, la moustache du chat cessait lentement de fonctionner et le processus devait être répété. À l’époque, leur fonctionnement était totalement mystérieux. Après l’introduction des radios à tubes à vide, plus fiables et plus amplifiées, les systèmes à moustaches de chat ont rapidement disparu. Le « whisker du chat » est un exemple primitif d’un type spécial de diode encore populaire aujourd’hui, appelé diode Schottky.

Rredresseur métalliqueModifié

Un autre type précoce de dispositif à semi-conducteur est le redresseur métallique dans lequel le semi-conducteur est l’oxyde de cuivre ou le sélénium. Westinghouse Electric (1886) était un fabricant important de ces redresseurs.

Seconde Guerre mondialeEdit

Pendant la Seconde Guerre mondiale, la recherche sur les radars a rapidement poussé les récepteurs radar à fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées et les récepteurs radio traditionnels à base de tubes ne fonctionnaient plus bien. L’introduction du magnétron à cavité de la Grande-Bretagne aux États-Unis en 1940 au cours de la mission Tizard a entraîné un besoin pressant d’un amplificateur haute fréquence pratique.

Sur un coup de tête, Russell Ohl des Laboratoires Bell a décidé d’essayer une moustache de chat. A ce moment-là, ils n’étaient plus utilisés depuis plusieurs années, et personne aux laboratoires n’en avait un. Après en avoir déniché un dans un magasin de radio d’occasion à Manhattan, il a constaté qu’il fonctionnait beaucoup mieux que les systèmes à tubes.

Ohl a cherché à savoir pourquoi le whisker de chat fonctionnait si bien. Il a passé la majeure partie de l’année 1939 à essayer de faire pousser des versions plus pures des cristaux. Il a rapidement constaté qu’avec des cristaux de meilleure qualité, leur comportement délicat disparaissait, mais aussi leur capacité à fonctionner comme un détecteur radio. Un jour, il a trouvé l’un de ses cristaux les plus purs qui fonctionnait néanmoins bien, et qui présentait une fissure clairement visible près du milieu. Cependant, lorsqu’il se déplaçait dans la pièce pour essayer de le tester, le détecteur fonctionnait mystérieusement, puis s’arrêtait à nouveau. Après quelques études, il découvre que le comportement est contrôlé par la lumière dans la pièce – plus de lumière entraîne une plus grande conductivité dans le cristal. Il a invité plusieurs autres personnes à voir ce cristal, et Walter Brattain a immédiatement réalisé qu’il y avait une sorte de jonction au niveau de la fissure.

Des recherches plus poussées ont éclairci le mystère restant. Le cristal s’était fissuré parce que chaque côté contenait des quantités très légèrement différentes d’impuretés qu’Ohl ne pouvait pas éliminer – environ 0,2%. Un côté du cristal avait des impuretés qui ajoutaient des électrons supplémentaires (les porteurs de courant électrique) et en faisaient un « conducteur ». L’autre côté avait des impuretés qui voulaient se lier à ces électrons, ce qui en faisait (ce qu’il a appelé) un « isolant ». Comme les deux parties du cristal étaient en contact l’une avec l’autre, les électrons pouvaient être poussés hors de la partie conductrice qui contenait des électrons supplémentaires (bientôt appelée l’émetteur) et remplacés par de nouveaux électrons fournis (par une batterie, par exemple) où ils s’écoulaient dans la partie isolante et étaient collectés par le filament de mèche (appelé le collecteur). Cependant, lorsque la tension est inversée, les électrons poussés dans le collecteur remplissent rapidement les « trous » (les impuretés qui ont besoin d’électrons) et la conduction s’arrête presque instantanément. Cette jonction des deux cristaux (ou des parties d’un cristal) a créé une diode à l’état solide, et le concept est rapidement devenu connu sous le nom de semi-conduction. Le mécanisme d’action lorsque la diode est éteinte est lié à la séparation des porteurs de charge autour de la jonction. C’est ce qu’on appelle une « région d’appauvrissement ».

Développement de la diodeEdit

Armé de la connaissance du fonctionnement de ces nouvelles diodes, un effort vigoureux a commencé à apprendre comment les construire à la demande. Des équipes de l’université de Purdue, des Bell Labs, du MIT et de l’université de Chicago ont uni leurs efforts pour construire de meilleurs cristaux. En un an, la production de germanium avait été perfectionnée au point que des diodes de qualité militaire étaient utilisées dans la plupart des radars.

Développement du transistorEdit

Après la guerre, William Shockley décide de tenter la construction d’un dispositif semi-conducteur de type triode. Il a obtenu un financement et un espace de laboratoire, et a commencé à travailler sur le problème avec Brattain et John Bardeen.

La clé du développement du transistor était la compréhension plus approfondie du processus de la mobilité des électrons dans un semi-conducteur. On s’est rendu compte que s’il y avait un moyen de contrôler le flux des électrons de l’émetteur au collecteur de cette diode nouvellement découverte, un amplificateur pourrait être construit. Par exemple, si des contacts sont placés des deux côtés d’un même type de cristal, le courant ne circulera pas entre eux à travers le cristal. Cependant, si un troisième contact pouvait alors « injecter » des électrons ou des trous dans le matériau, le courant circulerait.

En fait, faire cela semblait très difficile. Si le cristal était d’une taille raisonnable, le nombre d’électrons (ou de trous) nécessaires à l’injection devrait être très grand, ce qui le rendrait moins utile comme amplificateur car il faudrait un grand courant d’injection pour commencer. Cela dit, l’idée de la diode à cristal était que le cristal lui-même pouvait fournir les électrons sur une très petite distance, la région de déplétion. La clé semblait être de placer les contacts d’entrée et de sortie très près les uns des autres sur la surface du cristal, de part et d’autre de cette région.

Brattain a commencé à travailler sur la construction d’un tel dispositif, et des indices alléchants d’amplification ont continué à apparaître à mesure que l’équipe travaillait sur le problème. Parfois, le système fonctionnait mais s’arrêtait de manière inattendue. Dans un cas, un système qui ne fonctionnait pas s’est remis à fonctionner lorsqu’il a été placé dans l’eau. Ohl et Brattain ont finalement développé une nouvelle branche de la mécanique quantique, connue sous le nom de physique des surfaces, pour expliquer ce comportement. Les électrons d’une partie du cristal se déplacent en raison des charges voisines. Les électrons dans les émetteurs, ou les « trous » dans les collecteurs, se regroupent à la surface du cristal où ils peuvent trouver leur charge opposée « flottant » dans l’air (ou l’eau). Pourtant, ils peuvent être repoussés de la surface par l’application d’une petite quantité de charge à partir de n’importe quel autre endroit du cristal. Au lieu d’avoir besoin d’une grande quantité d’électrons injectés, un très petit nombre au bon endroit sur le cristal accomplirait la même chose.

Leur compréhension a résolu le problème du besoin d’une très petite zone de contrôle dans une certaine mesure. Au lieu d’avoir besoin de deux semi-conducteurs séparés reliés par une région commune, mais minuscule, une seule surface plus grande servirait. Les fils émetteurs et collecteurs d’électrons sont placés très près l’un de l’autre sur le dessus, le fil de contrôle étant placé à la base du cristal. Lorsque le courant circule dans ce fil « de base », les électrons ou les trous sont poussés vers l’extérieur, à travers le bloc de semi-conducteur, et se rassemblent sur la surface éloignée. Tant que l’émetteur et le collecteur étaient très proches l’un de l’autre, cela devait laisser suffisamment d’électrons ou de trous entre eux pour permettre à la conduction de commencer.

Le premier transistorEdit

Une réplique stylisée du premier transistor

L’équipe de Bell a fait de nombreuses tentatives pour construire un tel système avec divers outils, mais a généralement échoué. Les montages où les contacts étaient suffisamment proches étaient invariablement aussi fragiles que l’avaient été les détecteurs originaux à moustaches de chat, et ne fonctionnaient que brièvement, voire pas du tout. Finalement, ils ont fait une percée pratique. Un morceau de feuille d’or est collé sur le bord d’un triangle en plastique, puis la feuille est tranchée avec un rasoir à la pointe du triangle. On obtient ainsi deux contacts d’or très rapprochés. Lorsque le coin est poussé vers le bas sur la surface d’un cristal et qu’une tension est appliquée de l’autre côté (sur la base du cristal), le courant commence à circuler d’un contact à l’autre, car la tension de base pousse les électrons de la base vers l’autre côté, près des contacts. Le transistor à contact ponctuel avait été inventé.

Bien que le dispositif ait été construit une semaine plus tôt, les notes de Brattain décrivent la première démonstration aux plus hauts responsables des Bell Labs l’après-midi du 23 décembre 1947, souvent donnée comme la date de naissance du transistor. Ce que l’on appelle aujourd’hui le « transistor au germanium à contact ponctuel p-n-p » a fonctionné comme un amplificateur vocal avec un gain de puissance de 18 lors de cet essai. John Bardeen, Walter Houser Brattain et William Bradford Shockley ont reçu le prix Nobel de physique en 1956 pour leurs travaux.

Origine du terme « transistor « Edit

Les laboratoires téléphoniques Bell avaient besoin d’un nom générique pour leur nouvelle invention : « Triode à semi-conducteurs », « Triode solide », « Triode à états de surface » , « Triode à cristaux » et « Iotatron » ont tous été envisagés, mais « transistor », inventé par John R. Pierce, a remporté un vote interne. La justification du nom est décrite dans l’extrait suivant des mémorandums techniques de la société (28 mai 1948) appelant à des votes:

Transistor. Il s’agit d’une combinaison abrégée des mots « transconductance » ou « transfert », et « varistance ». Le dispositif appartient logiquement à la famille des varistances, et présente la transconductance ou l’impédance de transfert d’un dispositif ayant un gain, de sorte que cette combinaison est descriptive.

Améliorations dans la conception des transistorsEdit

Shockley était mécontent que le dispositif soit crédité à Brattain et Bardeen, qui, selon lui, l’avaient construit « dans son dos » pour s’approprier la gloire. Les choses se sont aggravées lorsque les avocats des Bell Labs ont découvert que certains des écrits de Shockley sur le transistor étaient suffisamment proches de ceux d’un brevet antérieur de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld pour qu’ils jugent préférable que son nom ne soit pas mentionné dans la demande de brevet.

Shockley était furieux, et décida de démontrer qui était le véritable cerveau de l’opération. Quelques mois plus tard, il invente un tout nouveau type de transistor, considérablement plus robuste, avec une structure en couches ou en « sandwich ». Cette structure a ensuite été utilisée pour la grande majorité de tous les transistors jusque dans les années 1960, et a évolué vers le transistor à jonction bipolaire.

Avec les problèmes de fragilité résolus, un problème restant était la pureté. Fabriquer du germanium avec la pureté requise s’avérait être un problème sérieux, et limitait le rendement des transistors qui fonctionnaient réellement à partir d’un lot donné de matériau. La sensibilité du germanium à la température limitait également son utilité. Les scientifiques ont théorisé que le silicium serait plus facile à fabriquer, mais peu ont étudié cette possibilité. Gordon K. Teal a été le premier à développer un transistor en silicium fonctionnel, et sa société, la toute jeune Texas Instruments, a profité de son avance technologique. À partir de la fin des années 1960, la plupart des transistors sont à base de silicium. En quelques années, des produits à base de transistors, notamment des radios facilement portables, sont apparus sur le marché.

Le transistor à induction statique, le premier transistor à haute fréquence, a été inventé par les ingénieurs japonais Jun-ichi Nishizawa et Y. Watanabe en 1950. C’était le transistor le plus rapide jusque dans les années 1980.

Une amélioration majeure du rendement de fabrication est intervenue lorsqu’un chimiste a conseillé aux entreprises fabriquant des semi-conducteurs d’utiliser de l’eau distillée plutôt que de l’eau du robinet : les ions calcium présents dans l’eau du robinet étaient la cause des mauvais rendements. « La fusion en zone », une technique utilisant une bande de matériau fondu se déplaçant à travers le cristal, a encore augmenté la pureté des cristaux.

Semiconducteur métal-oxyde (MOS)Edition

Dans les années 1950, Mohamed Atalla a étudié les propriétés de surface des semi-conducteurs en silicium aux Bell Labs, où il a proposé une nouvelle méthode de fabrication de dispositifs à semi-conducteurs, en recouvrant une tranche de silicium d’une couche isolante d’oxyde de silicium afin que l’électricité puisse pénétrer de manière fiable jusqu’au silicium conducteur situé en dessous, en surmontant les états de surface qui empêchaient l’électricité d’atteindre la couche semi-conductrice. C’est ce qu’on appelle la passivation de surface, une méthode qui est devenue essentielle pour l’industrie des semi-conducteurs car elle a permis la production en masse de circuits intégrés (CI) en silicium. En s’appuyant sur sa méthode de passivation de surface, il a mis au point le procédé MOS (métal-oxyde-semiconducteur), dont il a proposé l’utilisation pour construire le premier transistor à effet de champ (FET) en silicium. Cela a conduit à l’invention du MOSFET (transistor à effet de champ MOS) par Mohamed Atalla et Dawon Kahng en 1959. Grâce à son évolutivité, à sa consommation d’énergie beaucoup plus faible et à sa densité plus élevée que les transistors à jonction bipolaire, le MOSFET est devenu le type de transistor le plus courant dans les ordinateurs, l’électronique et les technologies de communication telles que les smartphones. L’Office américain des brevets et des marques de commerce qualifie le MOSFET d' »invention révolutionnaire qui a transformé la vie et la culture dans le monde entier ».

LeCMOS (complementary MOS) a été inventé par Chih-Tang Sah et Frank Wanlass chez Fairchild Semiconductor en 1963. Le premier rapport d’un MOSFET à grille flottante a été fait par Dawon Kahng et Simon Sze en 1967. Le FinFET (transistor à effet de champ à ailettes), un type de MOSFET 3D à portes multiples, a été développé par Digh Hisamoto et son équipe de chercheurs du laboratoire central de recherche Hitachi en 1989.