Le transistor

Le transistor est l’un des composants fondamentaux de l’histoire de l’informatique. À partir des années 1950, il remplace progressivement les tubes à vide et permet de construire des ordinateurs plus petits, moins énergivores et plus fiables.

Mais son importance va beaucoup plus loin. Le transistor rend ensuite possibles le circuit intégré, les mémoires à semi-conducteurs et le microprocesseur.

Son rôle rappelle celui du tube à vide : un faible signal électrique permet de contrôler un courant plus important. Cependant, le transistor réalise cette fonction dans un matériau solide, sans cathode chauffée ni enceinte sous vide.

1947 : la naissance du transistor

Bardeen et Brattain : le premier transistor fonctionnel

Après la Seconde Guerre mondiale, les Bell Telephone Laboratories cherchent des composants à semi-conducteurs capables de remplacer certains tubes à vide et commutateurs électromécaniques utilisés dans les équipements téléphoniques.

L’équipe dirigée par William Shockley travaille notamment sur la possibilité de contrôler un courant électrique dans un semi-conducteur. Dès 1945, Shockley imagine un dispositif commandé par un champ électrique. Toutefois, ses expériences ne fonctionnent pas comme prévu.

Le physicien John Bardeen propose alors une explication : des charges électriques présentes à la surface du semi-conducteur empêchent le champ électrique de pénétrer correctement dans le matériau. Avec l’expérimentateur Walter Brattain, il étudie ces phénomènes de surface.

Le 16 décembre 1947, leurs recherches aboutissent. Bardeen et Brattain obtiennent une amplification électrique avec un petit cristal de germanium sur lequel reposent deux contacts en or extrêmement rapprochés.

Le 23 décembre, ils présentent le dispositif aux responsables des Bell Labs. Le transistor à pointes de contact vient de démontrer qu’un composant à semi-conducteur peut amplifier un signal sans utiliser de tube à vide.

Un conflit de reconnaissance et de brevets

Cette réussite crée rapidement des tensions dans l’équipe. Shockley estime que ses recherches antérieures ont joué un rôle essentiel dans la découverte et souhaite que sa contribution soit reconnue dans les brevets.

Cependant, la situation juridique est délicate. En examinant ses travaux, les avocats de Bell Labs constatent que certaines de ses idées antérieures sur un dispositif commandé par un champ électrique sont proches de principes brevetés dès les années 1920 par Julius Edgar Lilienfeld.

Bell Labs choisit donc de protéger séparément les différentes inventions. Bardeen et Brattain déposent en juin 1948 un brevet portant sur leur transistor à pointes de contact. Shockley n’apparaît pas comme inventeur de ce dispositif.

Il ne s’agit pas d’un procès entre les trois chercheurs. En revanche, ce conflit de paternité et de reconnaissance détériore profondément leurs relations.

1948 : Shockley conçoit le transistor à jonction

Après la découverte de Bardeen et Brattain, Shockley se lance dans plusieurs semaines de recherches théoriques intensives.

Le 23 janvier 1948, il conçoit une architecture très différente : le transistor à jonction. Son principe repose sur trois régions de matériau semi-conducteur organisées autour de deux jonctions P-N.

Cette architecture évite les deux minuscules contacts métalliques du transistor de Bardeen et Brattain. Elle promet donc des composants plus reproductibles et mieux adaptés à une fabrication industrielle.

Shockley dépose sa propre demande de brevet le 26 juin 1948. Pourtant, concevoir le principe ne suffit pas : il reste très difficile de fabriquer des cristaux de germanium suffisamment purs et homogènes.

À partir de 1950, les travaux de Gordon Teal et Morgan Sparks permettent de fabriquer des structures NPN par croissance contrôlée du cristal. En 1951, Bell Labs présente des transistors à jonction capables de dépasser les performances des premiers modèles à pointes de contact.

D’où vient le mot « transistor » ?

Au printemps 1948, Bell Labs cherche également un nom pour son nouveau composant. Plusieurs propositions circulent, parmi lesquelles semiconductor triode ou crystal triode.

L’ingénieur John R. Pierce propose finalement le mot transistor. Le terme fait notamment référence aux notions de transresistance ou de transfert et reprend la terminaison de composants tels que le varistor et le thermistor.

Bell Labs annonce publiquement le transistor le 30 juin 1948.

Enfin, en 1956, William Shockley, John Bardeen et Walter Brattain reçoivent ensemble le prix Nobel de physique pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et la découverte de l’effet transistor.

Comment fonctionne un transistor ?

Un transistor utilise un matériau semi-conducteur. Aujourd’hui, l’industrie emploie principalement le silicium, tandis que les premiers transistors utilisent surtout le germanium.

Un semi-conducteur possède une propriété essentielle : on peut modifier sa conductivité électrique. Pour cela, on introduit dans le matériau de très petites quantités d’autres éléments. Cette opération porte le nom de dopage.

Les régions N et P

Dans le silicium, une région de type N peut être créée en ajoutant un élément comme le phosphore, qui possède cinq électrons de valence. Quatre participent aux liaisons avec les atomes voisins, tandis qu’un électron reste relativement mobile.

À l’inverse, un dopage avec un élément comme le bore crée une région de type P. Comme le bore ne possède que trois électrons de valence, certaines liaisons restent incomplètes. Ces absences d’électrons se comportent comme des porteurs de charge positive appelés trous.

Le transistor bipolaire NPN

Un transistor bipolaire NPN comporte trois régions :

N → P → N

Elles correspondent à trois connexions : émetteur, base et collecteur.

La base constitue la commande du transistor. Dans son fonctionnement amplificateur, un faible courant de base permet de contrôler un courant beaucoup plus important entre le collecteur et l’émetteur.

Le transistor peut donc servir d’amplificateur. Cependant, en informatique numérique, une autre utilisation devient essentielle : la commutation.

Du transistor au 0 et au 1

Lorsqu’on l’utilise comme interrupteur électronique, un transistor bipolaire fonctionne principalement entre deux situations :

• bloqué : le courant collecteur-émetteur est presque nul ;
• passant : le transistor autorise la circulation du courant.

Ces deux états ne sont pas directement les chiffres 0 et 1. Dans un circuit numérique, ils servent à produire ou contrôler des niveaux de tension auxquels le circuit associe les valeurs logiques 0 et 1.

Ensuite, en combinant plusieurs transistors, les ingénieurs construisent des portes logiques telles que NOT, AND ou OR.

Ces portes peuvent à leur tour former des additionneurs, des comparateurs, des verrous et bascules, des registres ou des compteurs. De proche en proche, on obtient ainsi les circuits nécessaires au fonctionnement d’un processeur.

Au niveau matériel le plus élémentaire, un processeur numérique est donc constitué d’un immense réseau de transistors organisés pour traiter et mémoriser des informations binaires.

Pourquoi le transistor remplace-t-il les tubes à vide ?

Les tubes à vide savent déjà amplifier un signal et commuter un courant. Le transistor ne crée donc pas ces fonctions. En revanche, il permet progressivement de les réaliser dans un volume beaucoup plus faible et avec une consommation réduite.

Ce dernier avantage devient déterminant. Le transistor n’est plus seulement un composant que l’on soude individuellement sur une carte : il peut devenir une structure microscopique fabriquée avec des milliers, puis des millions et finalement des milliards d’autres transistors sur une même puce.

Les premiers ordinateurs transistorisés

L’invention de 1947 ne fait pas disparaître immédiatement les tubes à vide. Les premiers transistors restent coûteux, difficiles à fabriquer et parfois moins fiables que les tubes qu’ils doivent remplacer.

Pourtant, dès le début des années 1950, plusieurs laboratoires tentent de construire des ordinateurs utilisant cette nouvelle technologie.

1953 — Manchester Transistor Computer

À l’Université de Manchester, l’équipe de Tom Kilburn développe un ordinateur expérimental destiné à tester l’utilisation des transistors dans les circuits numériques.

Le prototype fonctionne en novembre 1953. Il utilise 92 transistors à pointes de contact et environ 550 diodes. Il est généralement considéré comme le premier ordinateur transistorisé à avoir fonctionné.

Cependant, il n’est pas entièrement dépourvu de tubes : quelques tubes à vide restent notamment nécessaires pour produire son horloge. Cette nuance explique pourquoi l’expression « premier ordinateur entièrement transistorisé » reste plus délicate à attribuer.

1954 — TRADIC

Aux États-Unis, les Bell Labs développent pour l’US Air Force le TRADIC, pour TRAnsistor DIgital Computer.

La première version est achevée en janvier 1954. Elle utilise environ 700 transistors au germanium et plus de 10 000 diodes.

Le TRADIC montre notamment qu’un ordinateur utilisant massivement les transistors peut réduire fortement sa consommation électrique. Toutefois, lui aussi conserve un tube de puissance pour une partie de son système d’horloge.

1955 — vers des machines entièrement transistorisées

En 1955, le britannique Harwell CADET fait partie des premières machines conçues pour fonctionner sans tubes dans leurs circuits électroniques. L’attribution du titre de « premier ordinateur entièrement transistorisé » reste toutefois dépendante des critères retenus et des prototypes pris en compte.

1956 — le TX-0

Au MIT Lincoln Laboratory, le TX-0 constitue une autre étape importante.

Mis en service en 1956, il associe des circuits logiques transistorisés à une mémoire à tores de ferrite. Sa conception privilégie également une utilisation plus interactive de l’ordinateur.

Le TX-0 joue ainsi un rôle dans l’émergence d’une nouvelle culture informatique au MIT. Plusieurs ingénieurs issus de cet environnement participeront ensuite au développement du PDP-1 de Digital Equipment Corporation.

Du transistor au circuit intégré

Le transistor réduit considérablement la taille des circuits électroniques. Pourtant, les premiers ordinateurs transistorisés utilisent encore des milliers de composants individuels reliés entre eux.

Chaque transistor doit être fabriqué, monté puis connecté aux résistances, condensateurs et autres composants du circuit. À mesure que la complexité augmente, le nombre de connexions devient lui-même un problème de coût, d’encombrement et de fiabilité.

Une nouvelle idée s’impose alors : fabriquer plusieurs composants et leurs connexions directement sur un même morceau de matériau semi-conducteur.

Le 12 septembre 1958, Jack Kilby démontre chez Texas Instruments un premier circuit électronique fonctionnel dont les composants sont réalisés sur un même morceau de germanium.

En 1959, Robert Noyce, chez Fairchild Semiconductor, propose à son tour une architecture utilisant le silicium et le procédé planaire. Son approche permet notamment de réaliser les interconnexions directement sur la puce.

Le circuit intégré ouvre ainsi la voie à une nouvelle étape : au lieu d’assembler les transistors un par un, on peut désormais en fabriquer plusieurs simultanément dans une même structure.

Le MOSFET : le transistor de la microélectronique

À la fin des années 1950, Mohamed Atalla et Dawon Kahng, aux Bell Labs, développent une autre famille de transistors : le MOSFET, pour Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor.

Ils mettent au point le principe en 1959 et présentent un dispositif fonctionnel en 1960.

Le MOSFET possède trois connexions principales : la source, le drain et la grille. Une tension appliquée sur la grille crée un champ électrique qui contrôle la conduction entre la source et le drain.

Contrairement au transistor bipolaire, la grille est isolée électriquement du canal par une fine couche d’oxyde. En régime statique, elle nécessite donc très peu de courant de commande.

Cette architecture se prête particulièrement bien à la miniaturisation et à l’intégration d’un très grand nombre de transistors sur une même puce.

Le MOSFET devient progressivement la technologie dominante de la microélectronique numérique et constitue aujourd’hui la base de l’immense majorité des circuits intégrés.

Du transistor aux processeurs et aux mémoires

Pendant les années 1960, les circuits intégrés regroupent un nombre croissant de transistors. Des fonctions autrefois réparties sur plusieurs cartes électroniques tiennent désormais dans quelques composants.

Au début des années 1970, l’intégration franchit une nouvelle étape : les principales fonctions logiques d’une unité centrale peuvent être réunies sur une seule puce. Le microprocesseur apparaît.

Parallèlement, le transistor devient un élément essentiel des mémoires à semi-conducteurs.

Une cellule de SRAM utilise plusieurs transistors organisés en circuit bistable pour conserver un bit. Dans une DRAM, un transistor contrôle l’accès à une charge électrique stockée dans un condensateur.

La progression générale peut donc se résumer ainsi :

tube à vide → transistor → circuit intégré → microprocesseurs et mémoires à semi-conducteurs.

L’importance historique du transistor ne tient donc pas seulement au remplacement du tube à vide. La véritable rupture vient de sa capacité à être miniaturisé et fabriqué en très grand nombre sur une même puce.

C’est cette propriété qui permet de passer des quelques dizaines de transistors des ordinateurs expérimentaux du début des années 1950 aux milliards de transistors présents dans les processeurs contemporains.

Repères chronologiques

• 16 décembre 1947 : Bardeen et Brattain obtiennent une amplification avec leur dispositif à pointes de contact.
• 23 décembre 1947 : démonstration du transistor aux responsables des Bell Labs.
• 23 janvier 1948 : Shockley conçoit le principe du transistor à jonction.
• 30 juin 1948 : Bell Labs annonce publiquement le transistor.
• 1951 : Bell Labs présente des transistors à jonction performants issus des travaux de Teal et Sparks.
• 1953 : le Manchester Transistor Computer devient opérationnel.
• 1954 : TRADIC et premiers transistors au silicium.
• 1956 : Bardeen, Brattain et Shockley reçoivent le prix Nobel ; le TX-0 entre en service.
• 1958 : Jack Kilby réalise son premier circuit intégré fonctionnel.
• 1959 : Robert Noyce développe son approche du circuit intégré monolithique ; Atalla et Kahng mettent au point le MOSFET.
• 1960 : démonstration du MOSFET d’Atalla et Kahng.
• Années 1960 : diffusion progressive des circuits intégrés.
• Début des années 1970 : l’intégration de milliers de transistors permet l’apparition du microprocesseur.