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Histoire du transistor
Une des inventions importantes du XXe siècle est considérée invention de transistorqui est venu remplacer les lampes électroniques.
Pendant longtemps, les lampes ont été le seul composant actif de tous les appareils électroniques, même si elles présentaient de nombreuses lacunes. Tout d'abord, c'est une grande consommation d'énergie, de grandes dimensions, une courte durée de vie et une faible résistance mécanique. Ces lacunes se sont fait de plus en plus sentir avec l'amélioration et la sophistication des équipements électroniques.
Une révolution révolutionnaire dans l'ingénierie radio a eu lieu lorsque les lampes obsolètes ont été remplacées par des dispositifs d'amplification à semi-conducteurs - des transistors, dépourvus de tous les inconvénients mentionnés.
Le premier transistor opérationnel est né en 1947, grâce aux efforts des employés de la société américaine Bell Telephone Laboratories. Leurs noms sont désormais connus dans le monde entier. Ce sont des scientifiques - les physiciens W. Shockley, D. Bardin et W. Brighten. Déjà en 1956, tous les trois ont reçu le prix Nobel de physique pour cette invention.
Mais, comme beaucoup de grandes inventions, le transistor n'a pas été immédiatement remarqué. Ce n'est que dans l'un des journaux américains qu'il a été mentionné que Bell Telephone Laboratories avait fait la démonstration de son appareil appelé transistor. Il a également été dit qu'il pouvait être utilisé dans certains domaines de l'électrotechnique au lieu des tubes électroniques.
Le transistor représenté était sous la forme d'un petit cylindre métallique de 13 mm de long et a été mis en évidence dans un récepteur qui n'avait pas de tubes électroniques. Pour tout le reste, la société a affirmé que l'appareil peut être utilisé non seulement pour l'amplification, mais également pour la génération ou la conversion d'un signal électrique.
Fig. 1. Le premier transistor
Fig. 2. John Bardin, William Shockley et Walter Brattain. Pour leur collaboration dans le développement du premier transistor opérationnel au monde en 1948, ils ont partagé le prix Nobel 1956.
Mais les capacités du transistor, comme d'ailleurs de nombreuses autres grandes découvertes, n'ont pas été immédiatement comprises et appréciées. Pour susciter l'intérêt pour le nouvel appareil, Bell l'a fermement annoncé lors de séminaires et d'articles, et a accordé à chacun une licence pour le fabriquer.
Les fabricants de lampes électroniques ne voyaient pas de concurrent sérieux dans le transistor, car il était impossible à la fois, d'un seul coup, d'écarter l'histoire de trente ans de la production de lampes de plusieurs centaines de modèles et les investissements de plusieurs millions de dollars dans leur développement et leur production. Par conséquent, le transistor est entré dans l'électronique pas si vite, car l'ère des tubes électroniques était toujours en cours.
Fig. 3. Transistor et lampe électronique
Premiers pas vers les semi-conducteurs
Depuis l'Antiquité, deux types de matériaux étaient principalement utilisés en électrotechnique: les conducteurs et les diélectriques (isolants). Les métaux, les solutions salines et certains gaz ont la capacité de conduire le courant. Cette capacité est due à la présence dans les conducteurs de porteurs de charge gratuits - les électrons. Dans les conducteurs, les électrons se détachent assez facilement de l'atome, mais les métaux à faible résistance (cuivre, aluminium, argent, or) sont les plus adaptés au transfert d'énergie électrique.
Les isolants comprennent des substances à haute résistance, leurs électrons sont très étroitement liés à l'atome. Il s'agit de porcelaine, de verre, de caoutchouc, de céramique, de plastique. Par conséquent, il n'y a pas de charges gratuites dans ces substances, ce qui signifie qu'il n'y a pas de courant électrique non plus.
Il convient de rappeler le libellé des manuels de physique selon lequel le courant électrique est le mouvement directionnel de particules chargées électriquement sous l'influence d'un champ électrique. Dans les isolateurs, rien ne bouge sous l'influence d'un champ électrique.
Cependant, dans le processus d'étude des phénomènes électriques dans divers matériaux, certains chercheurs ont pu "ressentir" les effets des semi-conducteurs.Par exemple, le premier détecteur cristallin (diode) a été créé en 1874 par le physicien allemand Karl Ferdinand Brown basé sur le contact du plomb et de la pyrite. (La pyrite est une pyrite de fer; lorsqu'elle frappe une chaise, une étincelle est coupée, c'est pourquoi elle tire son nom du grec "fête" - le feu). Plus tard, ce détecteur a réussi à remplacer le cohéreur dans les premiers récepteurs, ce qui a considérablement augmenté leur sensibilité.
En 1907, Beddecker, étudiant la conductivité du cuivre iodé, a découvert que sa conductivité augmentait de 24 fois en présence d'une impureté iodée, bien que l'iode lui-même ne soit pas conducteur. Mais toutes ces découvertes étaient aléatoires et ne pouvaient être justifiées scientifiquement. Une étude systématique des semi-conducteurs n'a commencé qu'en 1920 - 1930 ans.
Une grande contribution à l'étude des semi-conducteurs a été apportée par un scientifique soviétique du célèbre laboratoire de radio Nijni Novgorod O. Losev. Il est entré dans l'histoire principalement comme l'inventeur de la cristadine (un oscillateur et un amplificateur basé sur une diode) et une LED. Voir plus à ce sujet ici: Histoire des LED. Lueur de Losev.
À l'aube de la production de transistors, le principal semi-conducteur était le germanium (Ge). En termes de consommation d'énergie, c'est très économique, la tension de déverrouillage de sa jonction pn n'est que de 0,1 ... 0,3V, mais de nombreux paramètres sont instables, donc du silicium (Si) est venu le remplacer.
La température à laquelle les transistors en germanium fonctionnent ne dépasse pas 60 degrés, tandis que les transistors en silicium peuvent continuer à fonctionner à 150 degrés. Le silicium, en tant que semi-conducteur, surpasse le germanium dans d'autres propriétés, principalement en fréquence.
De plus, les réserves de silicium (sable ordinaire sur la plage) dans la nature sont illimitées et la technologie de nettoyage et de traitement est plus simple et moins chère que l'élément de nature rare du germanium. Le premier transistor au silicium est apparu peu de temps après le premier transistor au germanium - en 1954. Cet événement a même entraîné un nouveau nom «âge du silicium», à ne pas confondre avec la pierre!
Fig. 4. L'évolution des transistors
Microprocesseurs et semi-conducteurs. Coucher de soleil sur l'âge du silicium
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi récemment tous les ordinateurs sont devenus multicœurs? Les termes dual-core ou quad-core sont communs à tous. Le fait est que l'augmentation des performances du microprocesseur en augmentant la fréquence d'horloge et en augmentant le nombre de transistors dans un boîtier, pour les structures en silicium, est presque proche de la limite.
Une augmentation du nombre de semi-conducteurs dans un boîtier est obtenue en réduisant leurs dimensions physiques. En 2011, INTEL a déjà développé une technologie de traitement à 32 nm dans laquelle la longueur du canal du transistor n'est que de 20 nm. Cependant, une telle diminution n'entraîne pas une augmentation notable de la fréquence d'horloge, car il s'agissait de la technologie jusqu'à 90 nm. Il est évident qu'il est temps de passer à quelque chose de fondamentalement nouveau.
Fig. 5. Histoire des transistors
Graphène - le semi-conducteur du futur
En 2004, les physiciens ont découvert un nouveau matériau semi-conducteur. graphène. Ce candidat majeur pour le remplacement du silicium est également un matériau du groupe du carbone. Sur sa base, un transistor est créé qui fonctionne dans trois modes différents.
Fig. 6. Graphène
Fig. 7. Image d'un transistor de graphène de champ obtenu à l'aide d'un microscope électronique à balayage
Par rapport aux technologies existantes, cela permettra de réduire le nombre de transistors dans un cas d'exactement trois fois. De plus, selon les scientifiques, les fréquences de fonctionnement du nouveau matériau semi-conducteur peuvent atteindre jusqu'à 1000 GHz. Les paramètres, bien sûr, sont très tentants, mais jusqu'à présent, le nouveau semi-conducteur est au stade de développement et d'étude, et le silicium est toujours un cheval de bataille. Son âge n'est pas encore terminé.
Boris Aladyshkin
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