Histoire de transistor: patauger au toucher dans le noir

La route vers les commutateurs à semi-conducteurs a été longue et difficile. Cela a commencé par la découverte que certains matériaux se comportaient étrangement en présence d'électricité - et non de la manière que les théories qui existaient alors prédisaient. Elle a été suivie d'une histoire sur la façon dont, au 20e siècle, la technologie est devenue une discipline de plus en plus scientifique et institutionnelle. Les amateurs, les novices et les inventeurs professionnels, pratiquement sans formation scientifique, ont apporté de sérieuses contributions au développement du télégraphe, de la téléphonie et de la radio. Mais, comme nous le verrons, presque toutes les avancées dans l'histoire de l'électronique à semi-conducteurs se sont produites grâce à des scientifiques qui étudient dans les universités (et ont généralement un doctorat en physique) et travaillent dans des universités ou des laboratoires de recherche d'entreprise.

Toute personne ayant accès à un atelier et possédant des compétences de base en matière de matériaux peut assembler des relais à partir de fils, de métal et de bois. Pour créer des lampes électroniques, des outils plus spécialisés sont nécessaires pour créer un flacon en verre et en pomper de l'air. Les appareils à semi-conducteurs ont disparu dans un terrier de lapin, d'où le commutateur numérique n'est jamais revenu, et ont plongé plus profondément dans des mondes qui n'étaient compréhensibles que par les mathématiques abstraites et accessibles uniquement avec un équipement incroyablement cher.

Galenite

En 1874, Ferdinand Brown , un physicien de 24 ans de l'école de St. Thomas à Leipzig, a publié le premier de nombreux travaux scientifiques importants dans sa longue carrière. L'ouvrage «Sur le passage des courants électriques à travers les sulfures métalliques» a été accepté dans la revue Pogendorff's Annalen, prestigieuse revue consacrée aux sciences physiques. Malgré le titre ennuyeux, le travail de Brown a décrit plusieurs résultats expérimentaux surprenants et énigmatiques.


Ferdinand Brown

Brown a été intrigué par les sulfures - cristaux minéraux constitués de composés soufrés avec des métaux - grâce au travail de Johann Wilhelm Gittorf . En 1833, Michael Faraday a noté que la conductivité du sulfure d'argent augmente avec la température, ce qui est complètement opposé au comportement des conducteurs métalliques. Hittorf a compilé un rapport quantitatif complet sur les mesures de cet effet dans les années 1850, pour les sulfures d'argent et de cuivre. Brown, utilisant une configuration expérimentale sophistiquée qui pressait un fil métallique sur un cristal de sulfure avec un ressort pour assurer un bon contact, a trouvé quelque chose d'encore plus étrange. La conductivité des cristaux dépend de la direction - par exemple, le courant peut bien circuler dans une direction, mais lorsque la polarité de la batterie est inversée, le courant peut soudainement chuter brusquement. Les cristaux dans une direction fonctionnaient plus comme des conducteurs (comme les métaux normaux), et dans l'autre ils fonctionnaient plus comme des isolants (comme le verre ou le caoutchouc). Cette propriété est devenue connue sous le nom de rectification, en raison de la capacité de rectifier un courant alternatif "sinueux", le transformant en un courant continu "plat".

À peu près au même moment, les chercheurs ont découvert d'autres propriétés étranges de matériaux tels que le sélénium, qui pourraient être fondus à partir de certains minerais métalliques sulfurés. Sous l'influence de la lumière, le sélénium a augmenté la conductivité et a même commencé à produire de l'électricité, et il pourrait également être utilisé pour la rectification. Y avait-il un lien avec les cristaux de sulfure? Sans modèles théoriques capables d'expliquer ce qui se passait, la confusion régnait dans ce domaine.

Cependant, le manque de théorie n'a pas empêché les tentatives de mise en pratique des résultats. À la fin des années 1890, Brown est devenu professeur à l'Université de Strasbourg - récemment annexée de France pendant la guerre franco-prussienne et renommée Université du Kaiser Wilhelm. Là, il a été entraîné dans un nouveau monde passionnant de radio-télégraphie. Il a accepté la proposition d'un groupe d'entrepreneurs de créer conjointement un système de communication sans fil basé sur la transmission d'ondes radioélectriques à travers l'eau. Cependant, lui et ses complices ont rapidement abandonné l'idée originale en faveur de la signalisation aéroportée, que Marconi et d'autres ont utilisée.

Parmi les aspects de la radio que le groupe de Brown cherchait à améliorer, il y avait le récepteur standard à cette époque, le cohéreur . Il était basé sur le fait que les ondes radio ont forcé la limaille de métal à se rassembler en un bloc, ce qui a permis au courant de la batterie de passer au dispositif de signalisation. Cela a fonctionné, mais le système n'a répondu qu'à des signaux relativement forts, et pour briser le morceau de sciure, il a fallu frapper constamment l'appareil. Brown a rappelé ses anciennes expériences avec des cristaux de sulfure, et en 1899, il a recréé son ancienne configuration expérimentale avec un nouveau but - pour servir de détecteur de signaux sans fil. Il a utilisé l'effet de rectification pour convertir le minuscule courant oscillant généré par les ondes radio passantes en courant continu, qui pourrait être alimenté par un petit haut-parleur qui produisait des clics audibles pour chaque point ou tiret. Cet appareil est devenu plus tard connu sous le nom de « détecteur de moustaches de chat » en raison de l'apparence du câblage, qui a facilement touché le sommet du cristal. En Inde britannique (où se trouve aujourd'hui le Bangladesh), le scientifique et inventeur Jagadish Bose a construit un appareil similaire, peut-être même en 1894. Les autres ont rapidement commencé à fabriquer des détecteurs similaires à base de silicium et de carborundum (carbure de silicium).

Cependant, c'est la galène , sulfure de plomb qui a été fondue pour produire du plomb depuis l'Antiquité, qui est devenue le matériau préféré des détecteurs cristallins. Ils se sont avérés simples à fabriquer et bon marché, et en conséquence sont devenus incroyablement populaires parmi la première génération de radio amateur. De plus, contrairement au cohéreur binaire (avec de la sciure de bois qui s'est égarée ou non), le redresseur à cristal pourrait produire un signal continu. Par conséquent, il pouvait émettre des transmissions vocales et musicales audibles, et pas seulement du code Morse avec ses points et tirets.


Détecteur de moustaches de chat basé sur la galène. Un petit morceau de fil sur la gauche est une moustache, et un morceau de matériau argenté en dessous est un cristal de galène.

Cependant, comme les jambons agacés l'ont vite découvert, il pourrait prendre des minutes, voire des heures, pour trouver un point magique à la surface du cristal qui donnerait un bon lissage. Et les signaux sans amplification étaient faibles et avaient un son métallique. Dans les années 1920, les récepteurs à tube avec amplificateurs triodes avaient pratiquement éliminé les détecteurs cristallins presque partout. Leur caractéristique attrayante n'était que bon marché.

Cette brève apparition dans l'arène des radios semblait être la limite de l'application pratique des étranges propriétés électriques du matériau découvert par Brown et d'autres.

Oxyde de cuivre

Puis, dans les années 1920, un autre physicien nommé Lars Grondahl a découvert quelque chose d'étrange avec sa configuration expérimentale. Grondal, le premier d'une série de maris intelligents et agités dans l'histoire de l'Ouest américain, était le fils d'un ingénieur civil. Son père, qui a émigré de Norvège en 1880, a travaillé pendant plusieurs décennies sur les chemins de fer en Californie, en Oregon et à Washington. Au début, Grondal a semblé décider de quitter le monde de l'ingénierie de son père et est allé à l'Institut Johns Hopkins pour un doctorat en physique pour suivre le chemin académique. Mais ensuite, il s'est impliqué dans le secteur ferroviaire et a occupé le poste de directeur de recherche de Union Switch and Signal, une division du géant industriel Westinghouse , qui fournissait des équipements pour l'industrie ferroviaire.

Diverses sources indiquent des raisons contradictoires qui ont motivé Grondal à l'étudier, mais quoi qu'il en soit, il a commencé à expérimenter avec des disques de cuivre chauffés d'un côté pour créer une couche oxydée. Travaillant avec eux, il a attiré l'attention sur l'asymétrie du courant - la résistance dans un sens était trois fois plus élevée que dans l'autre. Un disque de cuivre et d'oxyde de cuivre a rectifié le courant, tout comme un cristal de sulfure.


Circuit redresseur d'oxyde de cuivre

Pendant les six années suivantes, Grondal a développé un redresseur à usage commercial basé sur ce phénomène, faisant appel à un autre chercheur américain, Paul Geiger, puis a envoyé une demande de brevet et a annoncé sa découverte à l'American Physical Society en 1926. L'appareil est immédiatement devenu un succès commercial. En raison de l'absence de fils cassants, il était beaucoup plus fiable qu'un redresseur sur lampes électroniques, basé sur le principe de la vanne Fleming, et était bon marché en production. Contrairement aux cristaux redresseurs browniens, il a travaillé du premier coup, et grâce à la plus grande surface de contact du métal et de l'oxyde, il a travaillé avec une large gamme de courants et de tensions. Il pouvait charger des batteries, détecter des signaux dans divers systèmes électriques, travailler comme shunt de sécurité dans des générateurs puissants. Lorsqu'ils sont utilisés comme photocellule, les disques peuvent fonctionner comme des photomètres et sont particulièrement utiles en photographie. À la même époque, d'autres chercheurs ont développé des redresseurs au sélénium qui ont trouvé des utilisations similaires.


Un pack de redresseurs à base d'oxyde de cuivre. L'assemblage de plusieurs disques a augmenté la résistance inverse, ce qui leur a permis d'être utilisés à haute tension.

Quelques années plus tard, deux physiciens des Laboratoires Bella, Joseph Becker et Walter Brattain , ont décidé d'étudier le principe de fonctionnement d'un redresseur en cuivre - ils étaient intéressés de savoir comment cela fonctionne et comment il peut être utilisé chez Bell System.


Brattain dans la vieillesse - env. 1950

Brattain était originaire des mêmes endroits que Grondal, du nord-ouest du Pacifique, où il a grandi dans une ferme située à quelques kilomètres de la frontière canadienne. Au lycée, il s'est intéressé à la physique, il a montré des capacités dans ce domaine, et a finalement obtenu son doctorat à l'Université du Minnesota à la fin des années 1920, et a obtenu un emploi au Laboratoire Bell en 1929. Entre autres choses, il a étudié la dernière physique théorique à l'université , gagne en popularité en Europe, et connu sous le nom de mécanique quantique (son commissaire était John Hazbrook Van Fleck , qui a également instruit John Atanasov).

Révolution quantique

La nouvelle plate-forme théorique s'est développée lentement au cours des trois dernières décennies et, en temps voulu, elle sera en mesure d'expliquer tous les phénomènes étranges observés depuis de nombreuses années dans des matériaux tels que la galène, le sélénium et l'oxyde de cuivre. Toute une cohorte de physiciens majoritairement jeunes, principalement d'Allemagne et des pays voisins, a provoqué une révolution quantique en physique. Partout, regardez, ils n'ont pas découvert le monde lisse et continu qui leur était enseigné, mais d'étranges morceaux discrets.

Tout a commencé dans les années 1890. Max Planck, professeur bien connu à l'Université de Berlin, a décidé de travailler avec le problème non résolu bien connu: comment un « corps absolument noir » (une substance idéale qui absorbe toute l'énergie et ne la réfléchit pas) émet un rayonnement dans le spectre électromagnétique? Divers modèles ont été essayés, dont aucun n'a coïncidé avec les résultats expérimentaux - ils ne pouvaient pas faire face à l'une ou à l'autre extrémité du spectre. Planck a découvert que si nous supposons que l'énergie est émise par le corps en petits «paquets» de magnitude discrète, alors nous pouvons écrire une loi simple de la relation entre la fréquence et l'énergie, qui coïncide idéalement avec des résultats empiriques.

Peu de temps après, Einstein a découvert que la même chose se produit avec l'absorption de la lumière (le premier indice de photons), et J.J. Thomson a montré que l'électricité est également transportée non pas par un liquide ou une onde continue, mais par des particules discrètes - les électrons. Niels Bohr a ensuite créé un modèle qui expliquait comment les atomes excités émettent un rayonnement en attribuant des orbites séparées dans un atome à des électrons, chacun ayant sa propre énergie. Cependant, ce nom est trompeur car ils ne se comportent en rien comme les orbites des planètes - dans le modèle de Bohr, les électrons sont instantanément transférés d'une orbite, ou niveau d'énergie, à un autre, sans passer par un état intermédiaire. Et enfin, dans les années 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Bourne et d'autres ont créé une plate-forme mathématique généralisée connue sous le nom de mécanique quantique, qui comprenait tous les modèles quantiques spéciaux créés au cours des vingt dernières années.

À cette époque, les physiciens étaient déjà convaincus que les matériaux tels que le sélénium et la galène, démontrant des propriétés photovoltaïques et rectifiantes, appartiennent à une classe distincte de matériaux, qu'ils appelaient semi-conducteurs. La classification a pris tellement de temps pour plusieurs raisons. Premièrement, les catégories de «conducteurs» et d '«isolants» elles-mêmes étaient assez étendues. T.N. Les «conducteurs» étaient extrêmement différents en termes de conductivité, les mêmes (dans une moindre mesure) étaient caractéristiques des isolateurs, et il n'était pas évident de savoir comment un conducteur particulier pouvait être attribué à l'une de ces classes. De plus, jusqu'au milieu du XXe siècle, il était impossible d'obtenir ou de créer des substances très pures et toute anomalie de la conductivité des matériaux naturels pouvait toujours être attribuée à la pollution.

Les physiciens disposent désormais à la fois d'outils mathématiques de mécanique quantique et d'une nouvelle classe de matériaux auxquels ils pourraient s'appliquer. Le théoricien britannique Alan Wilson a été le premier à tout rassembler et a construit un modèle général de semi-conducteurs et le principe de leur travail en 1931.

Au début, Wilson a fait valoir que les matériaux conducteurs diffèrent des diélectriques dans l'état des zones d'énergie. La mécanique quantique prétend que les électrons peuvent exister sur un nombre limité de niveaux d'énergie inhérents aux coquilles ou orbitales d'atomes individuels. Si vous serrez ces atomes ensemble dans la structure d'un matériau, il serait plus correct d'imaginer des zones d'énergie continue qui le traversent. Il y a des places libres dans les conducteurs dans les zones à haute énergie, et le champ électrique peut y déplacer librement des électrons. Dans les isolateurs, les zones sont remplies, et vers une zone conductrice plus élevée, sur laquelle l'électricité est plus facile à parcourir, à monter assez loin.

Cela l'a amené à conclure que les impuretés - des atomes étrangers dans la structure du matériau - devraient contribuer à ses propriétés semi-conductrices. Ils peuvent soit fournir des électrons supplémentaires qui pénètrent facilement dans la bande de conduction, soit des trous - l'absence d'électrons par rapport au reste du matériau - ce qui crée des points d'énergie vides où les électrons libres peuvent se déplacer. La première option a été plus tard appelée semi-conducteurs de type n (ou électronique) - pour une charge négative en excès, et la seconde - de type p, ou trou - pour une charge positive en excès.

Enfin, Wilson a suggéré que la rectification du courant par les semi-conducteurs peut être expliquée en termes d' effet tunnel tunnel quantique, le saut soudain d'électrons à travers une mince barrière électrique dans un matériau. La théorie semblait plausible, mais prédit que dans le redresseur, le courant devrait passer de l'oxyde au cuivre, bien qu'en réalité ce soit l'inverse.

Ainsi, malgré toutes les percées de Wilson, les semi-conducteurs sont restés difficiles à expliquer. Comme il est devenu progressivement clair, les changements microscopiques dans la structure cristalline et la concentration d'impuretés ont affecté de manière disproportionnée leur comportement électrique macroscopique. Ignorant le manque de compréhension - puisque personne ne pouvait expliquer les observations expérimentales faites par Brown 60 ans auparavant - Brattain et Becker ont développé un procédé de fabrication de redresseur à oxyde de cuivre efficace pour leur employeur. Le système Bell a rapidement commencé à remplacer les redresseurs de lampes électroniques dans tout le système par un nouvel appareil, que leurs ingénieurs ont appelé varistance , car sa résistance variait selon la direction.

Médaille d'or

Mervyn Kelly, physicien et ancien chef du département des tubes électroniques des Bella Laboratories, était très intéressé par cette réalisation. Pendant quelques décennies, les lampes électroniques ont rendu à Bell un service inestimable et pourraient remplir des fonctions inaccessibles à la génération précédente de composants mécaniques et électromécaniques. Mais ils étaient très chauds, régulièrement surchauffés, consommaient beaucoup d'énergie et étaient difficiles à entretenir. Kelly allait reconstruire le système Bell à nouveau sur la base de composants électroniques à l'état dur plus fiables et durables, tels qu'une varistance, qui ne nécessitaient aucun boîtier scellé rempli de gaz ou de filaments vides ou chauds. En 1936, il devient chef du département de recherche des Laboratoires Bell et commence à réorienter l'organisation vers une nouvelle voie.

Avec un redresseur à semi-conducteurs, la prochaine étape évidente était de créer un amplificateur à semi-conducteurs.Naturellement, comme un amplificateur à tube, un tel appareil pourrait fonctionner comme un commutateur numérique. Cela était particulièrement intéressant pour Bella, car il y avait encore un grand nombre de commutateurs numériques électromécaniques dans les centraux téléphoniques. La société recherchait un remplacement plus fiable, compact, économe en énergie et à froid d'une lampe électronique dans les systèmes téléphoniques, radios, radars et autres équipements analogiques, où ils étaient utilisés pour amplifier les signaux faibles à un niveau accessible à l'oreille humaine.

En 1936, les Bell Labs ont finalement levé l'interdiction d'embaucher du personnel introduite pendant la Grande Dépression. Kelly a immédiatement commencé à embaucher des experts en mécanique quantique pour l'aider à lancer son programme de recherche sur les dispositifs à semi-conducteurs, dont William Shockley , un autre natif de la côte ouest de Palo Alto, en Californie. Le thème de sa thèse du MIT récemment achevée était le mieux adapté aux besoins de Kelly: "Zones électroniques dans le chlorure de sodium."

À cette époque, Brattain et Becker ont poursuivi leurs études sur un redresseur à oxyde de cuivre, cherchant à obtenir un amplificateur à semi-conducteurs amélioré. La façon la plus évidente d'y parvenir était de passer par analogie avec une lampe électronique. Tout comme Lee de Forest a pris un ampli à lampes et a placé un réseau électriqueentre la cathode et l'anode, Brattain et Becker ont présenté comment insérer une grille à l'endroit où le cuivre et l'oxyde de cuivre entrent en contact, où la rectification devait se produire. Cependant, en raison de la faible épaisseur de la couche, ils ont jugé impossible de le faire et n'ont pas réussi.

Parallèlement, d'autres développements ont montré que Bell Labs n'était pas la seule entreprise intéressée par l'électronique à semi-conducteurs. En 1938, Rudolf Hills et Robert Paul ont publié les résultats d'expériences menées à l'Université de Göttingen sur un amplificateur à semi-conducteurs fonctionnel créé en introduisant une grille dans un cristal de bromure de potassium. Ce dispositif de laboratoire ne représentait pas une valeur pratique - principalement, car il fonctionnait à une fréquence ne dépassant pas 1 Hz. Et pourtant, cette réalisation ne pouvait que réjouir tous ceux qui s'intéressent à l'électronique à semi-conducteurs. La même année, Kelly a identifié Shockley comme un nouveau groupe de recherche indépendant sur les dispositifs à semi-conducteurs et lui a donné carte blanche avec ses collègues - Foster Knicks et Dean Woolridge - pour étudier leurs capacités.

Au moins deux autres inventeurs ont réussi à créer des amplificateurs à semi-conducteurs avant la Seconde Guerre mondiale. En 1922, le physicien et inventeur soviétique Oleg Vladimirovich Losev a publié les résultats d'expériences réussies avec des semi-conducteurs en zincite, mais son travail est passé inaperçu par la communauté occidentale; En 1926, l'inventeur américain Julius Lilenfield a déposé un brevet pour un amplificateur à semi-conducteurs, mais il n'y a aucune preuve de l'opérabilité de son invention.

La première inspiration majeure de Shockley dans sa nouvelle position s'est produite en lisant les travaux du physicien britannique Neville Mot, Theory of Crystal Rectifiers, de 1938, qui a finalement expliqué le principe de fonctionnement du redresseur Grondal sur l'oxyde de cuivre. Mott a utilisé les mathématiques de la mécanique quantique pour décrire la formation d'un champ électrique à la jonction d'un métal conducteur et d'un oxyde semi-conducteur, et comment les électrons «sautent» par-dessus cette barrière électrique, au lieu de creuser un tunnel, comme l'a suggéré Wilson. Le courant circule plus facilement du métal vers le semi-conducteur que l'inverse, car le métal a beaucoup plus d'électrons libres.

Cela a conduit Shockley à exactement la même idée que Brattain et Becker avaient envisagée et rejetée de nombreuses années auparavant: fabriquer un amplificateur à semi-conducteurs en insérant une grille d'oxyde de cuivre dans l'espace entre le cuivre et l'oxyde de cuivre. Il espérait que le courant traversant la grille augmenterait la barrière limitant le courant du cuivre à l'oxyde, créant une version amplifiée inversée du signal sur la grille. Sa première tentative grossière a complètement échoué, alors il s'est tourné vers un homme qui avait des compétences de laboratoire plus raffinées et connaissait bien les redresseurs - Walter Brattain. Et, bien qu'il n'ait aucun doute sur le résultat, Brattain a accepté de satisfaire la curiosité de Shockley et a créé une version plus complexe de l'amplificateur «grille». Elle a également refusé de travailler.

Puis la guerre est intervenue, laissant le nouveau programme de recherche de Kelly dans le pétrin. Kelly a dirigé le groupe de travail sur les radars des Bell Laboratories, avec le soutien du principal centre de recherche radar du MIT aux États-Unis. Brattain n'a pas travaillé longtemps avec lui, puis a poursuivi ses recherches sur la détection magnétique des sous-marins commandés par la Marine. Woolridge a travaillé sur les systèmes de contrôle des incendies, Knicks sur la diffusion de gaz pour le projet Manhattan, et Shockley est allé dans la recherche opérationnelle, et s'est d'abord engagé dans la lutte contre les sous-marins dans l'Atlantique, puis les bombardements stratégiques dans le Pacifique.

Mais, malgré cette intervention, la guerre n'a pas arrêté le développement de l'électronique à semi-conducteurs. Au contraire, il a organisé une infusion massive de ressources dans ce domaine, et a conduit à une concentration de la recherche sur deux matériaux: le germanium et le silicium.

Quoi d'autre à lire

Ernest Bruan et Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)

Friedrich Kurylo et Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)

GL Pearson et WH Brattain, «History of Semiconductor Research», Actes de l'IRE (décembre 1955).

Michael Riordan et Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)