Qui a créé le premier transistor ? Cette question inquiète beaucoup de monde. Le premier brevet pour le principe du transistor à effet de champ a été déposé au Canada par le physicien austro-hongrois Julius Edgar Lilienfeld le 22 octobre 1925, mais Lilienfeld n'a publié aucun article scientifique sur ses appareils et ses travaux ont été ignorés par l'industrie. Ainsi, le premier transistor au monde est entré dans l'histoire. En 1934, le physicien allemand Dr Oskar Heil a breveté un autre FET. Il n'y a aucune preuve directe que ces appareils ont été construits, mais des travaux ultérieurs dans les années 1990 ont montré que l'une des conceptions de Lilienfeld fonctionnait comme décrit et donnait un résultat substantiel. C'est maintenant un fait bien connu et généralement accepté que William Shockley et son assistant Gerald Pearson ont créé des versions de travail de l'appareil à partir des brevets de Lilienfeld, qui, bien sûr, n'ont jamais été mentionnés dans aucun de leurs articles scientifiques ou articles historiques ultérieurs. Les premiers ordinateurs transistorisés, bien sûr, ont été construits beaucoup plus tard.
Bella Lab
Bell Labs a travaillé sur un transistor conçu pour produire des diodes mélangeurs "cristallines" au germanium extrêmement pur utilisées dans les installations radar dans le cadre du mélangeur de fréquences. Parallèlement à ce projet, il y en eut bien d'autres, dont le transistor à diode au germanium. Les premiers circuits à base de tubes n'avaient pas de capacité de commutation rapide, et l'équipe de Bell a plutôt utilisé des diodes à semi-conducteurs. Les premiers ordinateurs à transistors fonctionnaient sur un principe similaire.
Poursuite de l'exploration de Shockley
Après la guerre, Shockley a décidé d'essayer de construire un dispositif semi-conducteur de type triode. Il a obtenu le financement et l'espace de laboratoire, puis a travaillé sur le problème avec Bardeen et Bratten. John Bardeen a finalement développé une nouvelle branche de la mécanique quantique connue sous le nom de physique des surfaces pour expliquer ses premiers échecs, et ces scientifiques ont finalement réussi à créer un dispositif fonctionnel.
La clé du développement du transistor était une meilleure compréhension du processus de mobilité des électrons dans un semi-conducteur. Il a été prouvé que s'il existait un moyen de contrôler le flux d'électrons de l'émetteur au collecteur de cette diode nouvellement découverte (découverte en 1874, brevetée en 1906), un amplificateur pourrait être construit. Par exemple, si vous placez des contacts de chaque côté d'un type de cristal, aucun courant ne le traversera.
En fait, cela s'est avéré très difficile à faire. La taillele cristal devrait être plus moyen, et le nombre d'électrons supposés (ou de trous) qu'il fallait "injecter" était très grand, ce qui le rendrait moins utile qu'un amplificateur car il nécessiterait un courant d'injection important. Cependant, toute l'idée de la diode à cristal était que le cristal lui-même pouvait contenir des électrons à une très courte distance, tout en étant presque sur le point de s'épuiser. Apparemment, la clé était de garder les broches d'entrée et de sortie très proches l'une de l'autre sur la surface du cristal.
Œuvres de Bratten
Bratten a commencé à travailler sur un tel appareil, et des signes de succès ont continué à faire surface alors que l'équipe travaillait sur le problème. L'invention est un travail difficile. Parfois, le système fonctionne, mais une autre panne se produit. Parfois, les résultats des travaux de Bratten ont commencé à fonctionner de manière inattendue dans l'eau, apparemment en raison de sa conductivité élevée. Les électrons dans n'importe quelle partie du cristal migrent en raison des charges à proximité. Les électrons dans les émetteurs ou "trous" dans les collecteurs s'accumulent directement au-dessus du cristal, où ils reçoivent la charge opposée, "flottant" dans l'air (ou l'eau). Cependant, ils pourraient être poussés hors de la surface en appliquant une petite quantité de charge de n'importe où ailleurs sur le cristal. Au lieu de nécessiter une grande quantité d'électrons injectés, un très petit nombre au bon endroit sur la puce fera la même chose.
La nouvelle expérience des chercheurs a, dans une certaine mesure, aidé à résoudrele problème rencontré précédemment d'une petite zone de contrôle. Au lieu d'avoir à utiliser deux semi-conducteurs séparés reliés par une zone commune mais minuscule, une seule grande surface sera utilisée. Les sorties émetteur et collecteur seraient en haut, et le fil de commande serait placé à la base du cristal. Lorsqu'un courant était appliqué à la borne "de base", les électrons étaient poussés à travers le bloc semi-conducteur et collectés sur la surface éloignée. Tant que l'émetteur et le collecteur étaient très proches, cela devrait fournir suffisamment d'électrons ou de trous entre eux pour commencer à conduire.
Bray rejoint
L'un des premiers témoins de ce phénomène fut Ralph Bray, un jeune étudiant diplômé. Il a rejoint le développement du transistor au germanium à l'Université Purdue en novembre 1943 et s'est vu confier la tâche difficile de mesurer la résistance de fuite d'un contact métal-semi-conducteur. Bray a trouvé de nombreuses anomalies, telles que des barrières internes à haute résistance dans certains échantillons de germanium. Le phénomène le plus curieux était la résistance exceptionnellement faible observée lors de l'application d'impulsions de tension. Les premiers transistors soviétiques ont été développés sur la base de ces développements américains.
Percée
16 décembre 1947, à l'aide d'un contact à deux points, le contact a été établi avec une surface de germanium anodisée à quatre-vingt-dix volts, l'électrolyte a été lavé dans H2O, puis de l'or est tombé dessus. Des contacts en or ont été pressés contre des surfaces nues. Division entreles points mesuraient environ 4 × 10-3 cm. Un point servait de grille et l'autre de plaque. La déviation (DC) sur la grille devait être positive pour obtenir un gain de puissance de tension à travers la polarisation de la plaque d'environ quinze volts.
Invention du premier transistor
Il y a beaucoup de questions liées à l'histoire de ce mécanisme miracle. Certains d'entre eux sont familiers au lecteur. Par exemple: pourquoi les premiers transistors de l'URSS étaient-ils de type PNP ? La réponse à cette question se trouve dans la suite de toute cette histoire. Bratten et H. R. Moore ont démontré à plusieurs collègues et responsables des Bell Labs dans l'après-midi du 23 décembre 1947, le résultat qu'ils avaient obtenu, c'est pourquoi ce jour est souvent désigné comme la date de naissance du transistor. Un transistor au germanium à contact PNP fonctionnait comme un amplificateur de parole avec un gain de puissance de 18. C'est la réponse à la question de savoir pourquoi les premiers transistors de l'URSS étaient de type PNP, car ils ont été achetés aux Américains. En 1956, John Bardeen, W alter Houser Bratten et William Bradford Shockley ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et la découverte de l'effet transistor.
Douze personnes sont directement impliquées dans l'invention du transistor aux Bell Labs.
Les tout premiers transistors en Europe
Dans le même temps, certains scientifiques européens se sont enthousiasmés pour l'idée des amplificateurs à semi-conducteurs. En août 1948, les physiciens allemands Herbert F. Matare et Heinrich Welker, qui travaillaient à la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse à Aulnay-sous-Bois, France, a déposé une demande de brevet pour un amplificateur basé sur une minorité de ce qu'ils ont appelé "transistor". Parce que Bell Labs n'a publié le transistor qu'en juin 1948, le transistor a été considéré comme développé indépendamment. Mataré a observé pour la première fois les effets de la transconductance dans la production de diodes au silicium pour les équipements radar allemands pendant la Seconde Guerre mondiale. Des transistors ont été fabriqués commercialement pour la compagnie de téléphone française et l'armée, et en 1953, une radio à semi-conducteurs à quatre transistors a été présentée dans une station de radio à Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories avait besoin d'un nom pour une nouvelle invention: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode et Iotatron étaient tous considérés, mais le "transistor" inventé par John R. Pierce était le grand gagnant d'un vote interne (en partie grâce à la proximité développée par les ingénieurs de Bell pour le suffixe "-historique").
La première ligne de production commerciale de transistors au monde se trouvait à l'usine Western Electric sur Union Boulevard à Allentown, en Pennsylvanie. La production a commencé le 1er octobre 1951 avec un transistor au germanium à contact ponctuel.
Nouvelle demande
Jusqu'au début des années 1950, ce transistor était utilisé dans tous les types de fabrication, mais il y avait encore des problèmes importants empêchant son utilisation plus large, comme la sensibilité à l'humidité et la fragilité des fils attachés aux cristaux de germanium.
Shockley a souvent été accusé deplagiat dû au fait que son travail était très proche du travail du grand ingénieur hongrois, mais méconnu. Mais les avocats de Bell Labs ont rapidement réglé le problème.
Néanmoins, Shockley a été indigné par les attaques des critiques et a décidé de démontrer qui était le véritable cerveau de toute la grande épopée de l'invention du transistor. Quelques mois plus tard, il a inventé un tout nouveau type de transistor avec une "structure en sandwich" très particulière. Cette nouvelle forme était beaucoup plus fiable que le fragile système de contact ponctuel, et c'est cette forme qui a fini par être utilisée dans tous les transistors des années 1960. Il s'est rapidement développé pour devenir l'appareil à jonction bipolaire, qui est devenu la base du premier transistor bipolaire.
Le dispositif à induction statique, le premier concept de transistor haute fréquence, a été inventé par les ingénieurs japonais Jun-ichi Nishizawa et Y. Watanabe en 1950 et a finalement pu créer des prototypes expérimentaux en 1975. C'était le transistor le plus rapide des années 80.
D'autres développements ont inclus des dispositifs à couplage étendu, un transistor à barrière de surface, une diffusion, une tétrode et une pentode. Le "transistor mesa" en silicium à diffusion a été développé en 1955 chez Bell et disponible dans le commerce auprès de Fairchild Semiconductor en 1958. L'espace était un type de transistor développé dans les années 1950 comme une amélioration par rapport au transistor à contact ponctuel et au transistor en alliage ultérieur.
En 1953, Filco a développé la première surface haute fréquence au mondedispositif de barrière, qui était également le premier transistor adapté aux ordinateurs à grande vitesse. Le premier autoradio transistorisé au monde, fabriqué par Philco en 1955, utilisait des transistors à barrière de surface dans ses circuits.
Résolution de problèmes et retouches
Avec la solution des problèmes de fragilité, le problème de la propreté est resté. Produire du germanium de la pureté requise s'est avéré être un défi majeur et a limité le nombre de transistors pouvant réellement fonctionner à partir d'un lot de matériau donné. La sensibilité à la température du germanium a également limité son utilité.
Les scientifiques ont émis l'hypothèse que le silicium serait plus facile à fabriquer, mais peu ont exploré cette possibilité. Morris Tanenbaum des laboratoires Bell a été le premier à développer un transistor au silicium fonctionnel le 26 janvier 1954. Quelques mois plus tard, Gordon Teal, travaillant seul chez Texas Instruments, a développé un dispositif similaire. Ces deux dispositifs ont été fabriqués en contrôlant le dopage de monocristaux de silicium lors de leur croissance à partir de silicium fondu. Une méthode supérieure a été développée par Morris Tanenbaum et Calvin S. Fuller aux Bell Laboratories au début de 1955 par diffusion gazeuse d'impuretés donneuses et acceptrices dans des cristaux de silicium monocristallins.
Transistors à effet de champ
Le FET a été breveté pour la première fois par Julis Edgar Lilienfeld en 1926 et Oskar Hale en 1934, mais des dispositifs semi-conducteurs pratiques (transistors à effet de champ de transition [JFET]) ont été développésplus tard, après que l'effet transistor ait été observé et expliqué par l'équipe de William Shockley aux Bell Labs en 1947, juste après l'expiration de la période de brevet de vingt ans.
Le premier type de JFET était le transistor à induction statique (SIT) inventé par les ingénieurs japonais Jun-ichi Nishizawa et Y. Watanabe en 1950. SIT est un type de JFET avec une courte longueur de canal. Le transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur semi-conducteur (MOSFET), qui a largement supplanté le JFET et profondément influencé le développement de l'électronique électronique, a été inventé par Dawn Kahng et Martin Atalla en 1959.
Les FET peuvent être des dispositifs à charge majoritaire, dans lesquels le courant est transporté principalement par des porteurs majoritaires, ou des dispositifs à porteurs de charge moins importants, dans lesquels le courant est principalement alimenté par le flux de porteurs minoritaires. Le dispositif consiste en un canal actif à travers lequel des porteurs de charge, des électrons ou des trous circulent de la source vers l'égout. Les bornes de source et de drain sont connectées au semi-conducteur par des contacts ohmiques. La conductance du canal est fonction du potentiel appliqué aux bornes de grille et de source. Ce principe de fonctionnement a donné naissance aux premiers transistors toutes ondes.
Tous les FET ont des bornes de source, de drain et de grille qui correspondent approximativement à l'émetteur, au collecteur et à la base du BJT. La plupart des FET ont une quatrième borne appelée corps, base, masse ou substrat. Cette quatrième borne sert à polariser le transistor en service. Il est rare de faire un usage non trivial des bornes de boîtier dans les circuits, mais sa présence est importante lors de la mise en place de l'implantation physique d'un circuit intégré. La taille de la grille, la longueur L dans le schéma, est la distance entre la source et le drain. La largeur est l'expansion du transistor dans une direction perpendiculaire à la section transversale dans le diagramme (c'est-à-dire entrée / sortie de l'écran). Habituellement, la largeur est beaucoup plus grande que la longueur de la porte. Une longueur de porte de 1 µm limite la fréquence supérieure à environ 5 GHz, de 0,2 à 30 GHz.
