Walter Brattain

Avec Bardeen et William Shockley, il reçoit le prix Nobel de physique en 1956. Pourtant, son nom reste moins connu que celui du composant qu’il a contribué à faire naître.

Fiche rapide

• Nom : Walter Houser Brattain
• Naissance : 10 février 1902, Amoy, Chine
• Décès : 13 octobre 1987, Seattle, États-Unis
• Nationalité : américaine
• Formation : Whitman College, University of Oregon, University of Minnesota
• Domaine : physique expérimentale, surfaces et semi-conducteurs
• Bell Laboratories : 1929-1967
• Contribution majeure : transistor à pointes de contact avec John Bardeen
• Distinction majeure : prix Nobel de physique 1956 avec John Bardeen et William Shockley

1902 : de la Chine à un ranch de l’État de Washington

Walter Houser Brattain naît le 10 février 1902 à Amoy, aujourd’hui Xiamen, en Chine. Ses parents sont américains et la famille revient rapidement aux États-Unis.

Brattain grandit principalement dans l’État de Washington, où sa famille exploite un ranch. Cette jeunesse rurale contribue probablement à développer chez lui une qualité qui marquera toute sa carrière : une grande aisance avec les problèmes concrets et les manipulations pratiques.

Il étudie les mathématiques et la physique au Whitman College, dont il sort diplômé en 1924. Il poursuit ensuite ses études à l’Université de l’Oregon puis prépare un doctorat en physique à l’Université du Minnesota.

Sa spécialité devient progressivement la physique expérimentale des surfaces, un domaine qui se révélera décisif vingt ans plus tard.

1929 : l’entrée aux Bell Laboratories

En 1929, Brattain rejoint les Bell Telephone Laboratories, l’un des centres de recherche industrielle les plus importants du monde.

Il travaille d’abord sur l’émission électronique, les surfaces métalliques et les redresseurs à oxyde de cuivre. Tous ces sujets ont un point commun : comprendre ce qui se produit lorsqu’un courant électrique rencontre la surface ou l’interface entre deux matériaux.

Brattain accumule ainsi une expérience très particulière. Il ne connaît pas seulement la théorie : il sait fabriquer les échantillons, réaliser des contacts électriques délicats et repérer les phénomènes parasites qui peuvent fausser une expérience.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, il participe à des travaux liés notamment à la détection des sous-marins. En parallèle, les besoins du radar accélèrent fortement les progrès dans la purification du silicium et du germanium.

Ces nouveaux matériaux, beaucoup plus purs qu’avant-guerre, vont rendre possible une avancée majeure.

1945 : Bell Labs veut remplacer le tube à vide

Après la guerre, Bell Labs constitue une équipe consacrée à la physique des solides sous la direction de William Shockley.

L’objectif est ambitieux : réaliser avec un semi-conducteur certaines fonctions jusqu’alors assurées par les tubes à vide, notamment l’amplification d’un signal électrique.

Le groupe rassemble plusieurs spécialités. Brattain se concentre principalement sur les propriétés des surfaces. John Bardeen, recruté en 1945, apporte pour sa part une maîtrise exceptionnelle de la théorie quantique des solides.

Les deux hommes vont former un tandem particulièrement efficace.

Bardeen pense, Brattain expérimente

Les premières tentatives reposent sur une idée de Shockley : utiliser un champ électrique pour modifier la conduction d’un semi-conducteur.

Pourtant, les expériences ne fonctionnent pas comme prévu.

Bardeen propose alors une explication : des charges piégées dans des états électroniques de surface empêchent le champ électrique extérieur d’agir correctement à l’intérieur du matériau.

À partir de cette idée, Bardeen et Brattain multiplient les expériences. Leur méthode repose sur un échange constant : Bardeen interprète les phénomènes physiques tandis que Brattain imagine et réalise les montages permettant de tester les hypothèses.

Cette collaboration illustre parfaitement le fonctionnement de la recherche scientifique. Le transistor ne résulte pas d’une idée isolée surgie soudainement, mais d’une succession rapide d’hypothèses, de mesures, d’échecs et de modifications expérimentales.

16 décembre 1947 : le montage fonctionne

À l’automne 1947, les expériences progressent rapidement. Brattain travaille notamment avec du germanium de haute pureté et cherche à placer deux contacts métalliques extrêmement proches l’un de l’autre.

Le dispositif finalement utilisé est étonnamment rudimentaire.

Une fine feuille d’or est placée sur une petite pièce en forme de coin. Une fente sépare l’or en deux contacts très rapprochés, pressés contre la surface d’un morceau de germanium.

Le 16 décembre 1947, Bardeen et Brattain constatent qu’une variation électrique appliquée à l’un des contacts provoque une variation plus importante du courant recueilli par l’autre.

Ils viennent d’obtenir une amplification.

Pour la première fois, un composant entièrement solide accomplit une fonction fondamentale jusque-là associée aux tubes électroniques.

23 décembre 1947 : le transistor est présenté à Bell Labs

Quelques jours plus tard, le 23 décembre, Bardeen et Brattain présentent leur dispositif aux responsables des Bell Laboratories.

Le montage est encore fragile et expérimental, mais son principe fonctionne : un petit signal électrique permet d’en contrôler un autre et d’obtenir une amplification.

Le transistor à pointes de contact est né.

Bell Labs garde d’abord la découverte secrète afin de préparer les brevets. L’entreprise présente finalement publiquement le transistor le 30 juin 1948.

L’appareil semble modeste. Pourtant, il introduit une rupture essentielle : l’amplification et la commutation électronique peuvent désormais être réalisées sans filament chauffé ni enceinte sous vide.

Qui a réellement inventé le transistor ?

L’histoire associe généralement trois noms à l’invention : John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley. Cependant, leurs contributions ne sont pas identiques.

• Bardeen apporte notamment l’explication théorique des états de surface qui permet de débloquer les recherches ;
• Brattain conçoit et réalise avec lui les expériences qui conduisent au premier transistor fonctionnel ;
• Shockley dirige le programme puis conçoit quelques semaines plus tard le transistor à jonction, promis à un avenir industriel beaucoup plus important.

Le brevet du transistor à pointes de contact est donc déposé au nom de Bardeen et Brattain.

Cette répartition provoque des tensions avec Shockley, très sensible aux questions de priorité scientifique. Brattain défend au contraire l’idée que la réussite est suffisamment importante pour que chacun puisse recevoir sa part de reconnaissance.

Les relations se détériorent néanmoins. Bardeen quitte Bell Labs en 1951 et Brattain demande finalement à travailler dans un autre groupe, tout en restant au laboratoire.

Le transistor à pointes de contact disparaît, mais pas son importance

Le transistor construit par Bardeen et Brattain possède plusieurs défauts. Ses deux contacts doivent être positionnés avec une grande précision et ses caractéristiques sont difficiles à reproduire exactement.

Le transistor à jonction imaginé par Shockley constitue rapidement une solution beaucoup mieux adaptée à la production industrielle.

Le premier transistor n’en reste pas moins fondamental : il apporte la preuve expérimentale qu’un semi-conducteur peut amplifier un signal électrique.

Cette démonstration déclenche un immense effort de recherche sur les semi-conducteurs.

Quelques années plus tard, les transistors pourront être fabriqués directement dans un même morceau de silicium. Le circuit intégré permettra alors d’en réunir plusieurs sur une seule puce.

1956 : le prix Nobel

Le prix Nobel de physique 1956 récompense conjointement William Shockley, John Bardeen et Walter Brattain pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et la découverte de l’effet transistor.

À cette date, les trois hommes ne travaillent déjà plus ensemble. Shockley a quitté Bell Labs, Bardeen enseigne à l’Université de l’Illinois et Brattain poursuit ses recherches au sein du laboratoire.

Pour Brattain, la récompense constitue la reconnaissance du rôle déterminant de l’expérimentation dans la découverte.

Le transistor n’est plus alors une curiosité de laboratoire. Il commence à remplacer les tubes dans les radios, les télécommunications et les premiers équipements électroniques transistorisés.

Après le transistor : toujours les surfaces

Brattain ne cesse pas ses recherches après 1947. Il continue à étudier les surfaces des semi-conducteurs et cherche notamment à mieux comprendre les mécanismes du transistor à pointes de contact.

Ces travaux contribuent plus largement à la compréhension et au contrôle des interfaces dans les composants électroniques, un problème essentiel pour les générations suivantes de transistors.

Plus tard, son intérêt pour les phénomènes de surface l’amène même vers la biophysique et l’électrochimie. Il étudie notamment le déplacement des ions à travers certaines membranes biologiques.

Le changement de sujet est moins étrange qu’il n’y paraît : Brattain continue finalement à étudier la même question fondamentale, celle du passage de charges électriques à travers une interface.

Retour à Whitman College

À partir de 1962, Brattain enseigne également à Whitman College, l’établissement où il avait commencé ses études de physique.

Lorsqu’il prend sa retraite de Bell Labs en 1967, il revient davantage vers le Nord-Ouest des États-Unis et poursuit des activités d’enseignement et de recherche.

Le personnage semble assez éloigné de l’image du savant spectaculaire. Ses collègues décrivent plutôt un homme direct, indépendant, attaché au travail expérimental et capable de fabriquer rapidement un dispositif permettant de vérifier une idée.

John Bardeen, resté son ami pendant de nombreuses années, soulignera d’ailleurs l’importance exceptionnelle de cette capacité expérimentale.

De quelques contacts en or aux milliards de transistors

Walter Brattain meurt le 13 octobre 1987 à Seattle, à l’âge de 85 ans.

Quarante ans plus tôt, le transistor qu’il avait construit avec Bardeen utilisait un morceau de germanium et deux contacts métalliques manipulés presque artisanalement.

La technologie évolue ensuite à une vitesse extraordinaire :

tube à vide → transistor → circuit intégré → microprocesseur.

Les processeurs modernes contiennent désormais des milliards de transistors microscopiques, fabriqués simultanément sur une même puce.

Le dispositif de 1947 n’est donc pas l’ancêtre direct de tous ces transistors par son architecture, puisque le transistor à pointes de contact disparaît rapidement. Son importance est plus fondamentale : Bardeen et Brattain démontrent pour la première fois que l’amplification électronique peut être réalisée dans un semi-conducteur solide.

Walter Brattain incarne ainsi une dimension parfois moins visible de l’histoire des technologies : derrière une grande théorie, il faut souvent un expérimentateur capable de transformer une idée en un dispositif qui fonctionne réellement.

Repères chronologiques

• 10 février 1902 : naissance de Walter Houser Brattain à Amoy, en Chine.
• 1924 : diplôme de Whitman College.
• 1929 : entrée aux Bell Telephone Laboratories.
• 1945 : intégration du groupe de recherche sur les solides dirigé par William Shockley.
• 16 décembre 1947 : Bardeen et Brattain obtiennent l’amplification avec leur dispositif au germanium.
• 23 décembre 1947 : démonstration du transistor aux responsables de Bell Labs.
• 30 juin 1948 : Bell Labs annonce publiquement le transistor.
• 1956 : prix Nobel de physique avec John Bardeen et William Shockley.
• 1962 : début de ses enseignements à Whitman College.
• 1967 : retraite de Bell Laboratories.
• 13 octobre 1987 : mort de Walter Brattain à Seattle.

Sources et références

• Nobel Foundation, biographie de Walter H. Brattain et prix Nobel de physique 1956.
• Computer History Museum, The Silicon Engine, histoire de l’invention du transistor à pointes de contact.
• John Bardeen, biographie de Walter H. Brattain pour la National Academy of Sciences.
• American Physical Society, archives historiques de Bell Telephone Laboratories.
• Whitman College, archives consacrées à Walter Brattain.
• Michael Riordan et Lillian Hoddeson, Crystal Fire: The Birth of the Information Age.