Le transistor : du tube à vide au microprocesseur

1947 : la naissance du transistor

Après la Seconde Guerre mondiale, les Bell Telephone Laboratories cherchent de nouveaux composants capables de remplacer les tubes à vide, encombrants et gourmands en énergie.

Le 16 décembre 1947, les physiciens John Bardeen et Walter Brattain obtiennent pour la première fois une amplification avec un dispositif réalisé dans un cristal de germanium. Le 23 décembre, ils présentent leur invention aux responsables des Bell Labs.

Ce premier dispositif est un transistor à pointes de contact. Deux contacts métalliques extrêmement rapprochés sont posés sur le germanium. Le montage est délicat, mais il démontre qu’un semi-conducteur peut amplifier et contrôler un courant sans utiliser de tube à vide.

William Shockley, qui dirige les recherches sur les semi-conducteurs, développe ensuite le principe du transistor à jonction. Cette architecture, conçue en 1948, se prête beaucoup mieux à une fabrication industrielle.

Le nom transistor est proposé par l’ingénieur John R. Pierce. En 1956, Bardeen, Brattain et Shockley reçoivent ensemble le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les semi-conducteurs et la découverte de l’effet transistor.

Comment fonctionne un transistor ?

Un transistor est fabriqué dans un matériau semi-conducteur. Le silicium est aujourd’hui le plus utilisé, même si les premiers transistors reposaient notamment sur le germanium.

Un semi-conducteur possède une propriété essentielle : sa capacité à conduire le courant peut être modifiée. En introduisant de très petites quantités d’autres éléments dans le matériau, opération appelée dopage, on crée des régions de type N et de type P.

Le transistor bipolaire

Un transistor bipolaire de type NPN comporte trois régions disposées selon la structure :

N → P → N

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

Pour obtenir une région N, on ajoute typiquement un élément possédant 5 électrons de valence, par exemple du phosphore. Quatre électrons participent aux liaisons avec le silicium et il reste un électron relativement libre. On obtient donc un excès de porteurs négatifs : les électrons.
Pour obtenir une région P, on ajoute au contraire un élément possédant 3 électrons de valence, par exemple du bore. Il manque alors un électron pour compléter certaines liaisons. Ce manque se comporte comme un porteur de charge positive appelé trou.

La base joue le rôle de commande. Un faible courant appliqué à cette partie du transistor permet de contrôler un courant beaucoup plus important entre le collecteur et l’émetteur.

Le transistor peut ainsi être utilisé comme amplificateur, mais aussi comme interrupteur électronique.

Du transistor au 0 et au 1

Dans un ordinateur numérique, c’est surtout cette fonction d’interrupteur qui nous intéresse. Le transistor peut être utilisé dans deux états principaux :

• bloqué : presque aucun courant ne circule ;
• conducteur : le courant peut circuler.

Ces deux états permettent de représenter les deux valeurs de la logique binaire, 0 et 1. La correspondance exacte dépend du circuit utilisé, mais le principe reste toujours le même.

En combinant plusieurs transistors, on construit des portes logiques comme AND, OR ou NOT. Ces portes sont ensuite assemblées pour réaliser des additionneurs, des comparateurs, des registres, des compteurs et finalement les circuits d’un processeur.

Un processeur peut donc être vu, à son niveau matériel le plus fondamental, comme un immense réseau d’interrupteurs électroniques.

Pourquoi remplacer les tubes à vide ?

Les tubes à vide savent déjà amplifier et commuter un courant. Le transistor ne change donc pas complètement la fonction recherchée : il change surtout l’échelle à laquelle cette fonction peut être réalisée.

Ce dernier avantage est déterminant. Un transistor peut devenir une structure microscopique fabriquée directement dans une puce de semi-conducteur.

Les premiers ordinateurs transistorisés

L’invention de 1947 ne fait pas disparaître immédiatement les tubes. Les premiers transistors restent coûteux et leur fabrication doit encore être perfectionnée. Les premiers ordinateurs transistorisés apparaissent donc quelques années plus tard.

1953 — Manchester Transistor Computer

À l’Université de Manchester, une équipe dirigée par Tom Kilburn construit l’un des premiers ordinateurs expérimentaux utilisant des transistors dans ses circuits logiques. Le prototype fonctionne en novembre 1953 avec 92 transistors à pointes de contact et environ 550 diodes.

1954 — TRADIC

Aux États-Unis, les Bell Labs développent pour l’US Air Force le TRADIC, pour TRAnsistor DIgital Computer. Il utilise environ 700 transistors et plus de 10 000 diodes. Sa faible consommation montre déjà l’intérêt de la nouvelle technologie pour des systèmes où le poids et l’énergie disponible sont critiques.

1956 — le TX-0

Au MIT Lincoln Laboratory, le TX-0 constitue une autre étape importante. Mis en service en 1956, il utilise des circuits transistorisés rapides associés à une mémoire à tores de ferrite.

Le TX-0 joue également un rôle dans le développement de l’informatique interactive. Plusieurs ingénieurs liés à ces travaux participeront ensuite à l’aventure de Digital Equipment Corporation et au développement du PDP-1.

Du transistor au circuit intégré

Le transistor résout de nombreux problèmes des tubes, mais il crée bientôt une nouvelle difficulté : plus les ordinateurs deviennent complexes, plus il faut assembler et relier des milliers de composants individuels.

Chaque connexion prend de la place, coûte du temps à fabriquer et peut devenir une source de panne. L’étape suivante consiste donc à fabriquer plusieurs transistors et leurs connexions directement dans un même composant.

En 1958, Jack Kilby réalise chez Texas Instruments un premier circuit regroupant plusieurs fonctions électroniques sur un même morceau de semi-conducteur.

En 1959, Robert Noyce, chez Fairchild Semiconductor, développe une approche permettant de réaliser les composants et leurs interconnexions directement sur une même puce de silicium.

Le circuit intégré est né. Le nombre de transistors que l’on peut réunir dans une seule puce va désormais augmenter rapidement.

Le MOSFET : le transistor des circuits modernes

À la même époque, Mohamed Atalla et Dawon Kahng, aux Bell Labs, développent une autre famille de transistors : le MOSFET.

Il possède trois connexions principales : la source, le drain et la grille. Une tension appliquée sur la grille crée un champ électrique qui contrôle le passage du courant entre la source et le drain.

La grille étant isolée du reste du transistor, le courant nécessaire pour la commander est extrêmement faible. Cette propriété rend le MOSFET particulièrement adapté à la fabrication de circuits très denses.

Il deviendra progressivement le transistor dominant de la microélectronique numérique.

Du circuit intégré au microprocesseur

Au cours des années 1960, les circuits intégrés regroupent un nombre croissant de transistors. Les ingénieurs peuvent alors placer dans une même puce des fonctions autrefois réparties sur de nombreuses cartes électroniques.

Au début des années 1970, cette intégration atteint un nouveau seuil : les principaux circuits constituant une unité centrale peuvent être réunis sur une seule puce. Le microprocesseur apparaît.

L’évolution peut donc être résumée ainsi :

tube à vide → transistor → circuit intégré → microprocesseur.

Le microprocesseur n’est pas une invention isolée. Il est le résultat direct de plus de vingt années de miniaturisation du transistor.

Et les mémoires ?

Un transistor n’est pas à lui seul une mémoire. Il peut cependant servir à construire des cellules capables de conserver une information.

La SRAM utilise plusieurs transistors pour former un circuit bistable. Dans une DRAM, un transistor sert notamment à contrôler l’accès à la charge électrique stockée dans un condensateur.

Le transistor devient ainsi également l’un des éléments fondamentaux des mémoires à semi-conducteurs.

Pourquoi le transistor change-t-il l’histoire de l’informatique ?

Le transistor permet de réaliser les mêmes fonctions logiques fondamentales que les tubes à vide dans un volume beaucoup plus faible et avec une consommation réduite.

Mais son véritable avantage apparaît lorsqu’il devient possible de le fabriquer directement avec des milliers, puis des millions d’autres transistors sur une même puce.

L’histoire de l’informatique change alors de direction : les machines ne deviennent plus seulement plus puissantes en ajoutant davantage de composants. Les composants eux-mêmes deviennent de plus en plus petits et de plus en plus nombreux.

C’est cette évolution qui conduit des premiers ordinateurs transistorisés des années 1950 aux circuits intégrés, aux mémoires électroniques et finalement aux microprocesseurs contenant aujourd’hui des milliards de transistors.

Repères chronologiques

• 1947 : Bardeen et Brattain réalisent le premier transistor fonctionnel aux Bell Labs.
• 1948 : Shockley conçoit le principe du transistor à jonction.
• 1953 : Manchester Transistor Computer.
• 1954 : TRADIC.
• 1956 : Bardeen, Brattain et Shockley reçoivent le prix Nobel ; le TX-0 illustre la nouvelle génération d’ordinateurs transistorisés.
• 1958 : Jack Kilby réalise un premier circuit intégré.
• 1959 : travaux de Robert Noyce sur le circuit intégré et développement du MOSFET par Atalla et Kahng.
• Années 1960 : généralisation progressive des circuits intégrés.
• Années 1970 : l’intégration de milliers de transistors permet l’apparition du microprocesseur.

Sources

• Bell Telephone Laboratories, travaux de John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley.
• Computer History Museum, The Silicon Engine, archives consacrées au transistor et à la microélectronique.
• Nobel Foundation, prix Nobel de physique 1956.
• Archives consacrées au Manchester Transistor Computer, au TRADIC et au TX-0.
• Archives consacrées aux travaux de Jack Kilby, Robert Noyce, Mohamed Atalla et Dawon Kahng.