Le transistor électronique moderne est un dispositif à semi-conducteur, couramment utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électroniques. Un transistor est constitué d’une pièce solide d’un matériau semi-conducteur, avec au moins trois bornes pour la connexion à un circuit externe. Une tension ou un courant appliqué à une paire de bornes du transistor modifie le courant circulant dans une autre paire de bornes. Comme la puissance contrôlée (de sortie) peut être beaucoup plus importante que la puissance de contrôle (d’entrée), le transistor permet l’amplification d’un signal. Le transistor est l’élément de base des dispositifs électroniques modernes, et il est utilisé dans les systèmes radio, téléphoniques, informatiques et autres systèmes électroniques. Certains transistors sont emballés individuellement, mais la plupart se trouvent dans des circuits intégrés.

Comme c’est souvent le cas pour de nombreuses inventions, le transistor est le résultat du travail de nombreux inventeurs, et seul le dernier, ou le plus intelligent, en retire toute la gloire. Dans ce cas, il s’agit des Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, qui ont reçu le prix Nobel de physique en 1956 pour leur invention du transistor, qui a été qualifiée d’invention la plus importante du 20e siècle

Mais qui a été le premier ?

Le début de la recherche sur les semi-conducteurs est marqué par le rapport de Michael Faraday en 1833 sur le coefficient de température négatif de la résistance du sulfure d’argent. Il s’agit de la première observation d’une propriété semi-conductrice. Dans son article de 1833, « Experimental Researches in Electricity », Faraday (voir le portrait ci-contre) divulgue cette observation. Cette observation était en distinction des propriétés habituelles des métaux et des électrolytes dans le cas desquels la résistance augmente avec la température.

Le prochain contributeur significatif au domaine des semi-conducteurs est le physicien expérimental français Edmond Becquerel. En 1839, il a rapporté l’observation de la photovoltage dans les électrodes de platine recouvertes de chlorure d’argent. Dans son expérience, une électrode de platine recouverte de AgCl était immergée dans une solution électrolytique aqueuse d’acide nitrique. L’illumination de l’électrode a généré une phototension qui a modifié le champ électromagnétique produit par la cellule ; en fait, elle a produit un photocourant réducteur (cathodique) à l’électrode recouverte d’AgCl ; c’était le premier dispositif photovoltaïque rapporté. Une photovoltage a été générée au contact semi-conducteur métallique Ag/AgCl.

En 1873, l’ingénieur électricien anglais Willoughby Smith (1828-1891) (voir le portrait voisin) est arrivé à la découverte de la photoconductivité du sélénium. Il travaillait initialement avec des câbles sous-marins. Il a commencé à expérimenter le sélénium pour sa résistance élevée, qui semblait convenir à sa télégraphie sous-marine. Plusieurs expérimentateurs ont mesuré la résistance des barres de sélénium, mais la résistance mesurée par eux dans différentes conditions ne concordait pas du tout. Smith découvrit alors que la résistance dépendait en fait de l’intensité de la lumière incidente. Lorsque les barres de sélénium étaient placées dans une boîte dont le couvercle coulissant était fermé, la résistance était la plus élevée. Lorsque des verres de différentes couleurs étaient placés sur le chemin de la lumière, la résistance variait en fonction de la quantité de lumière traversant le verre. Mais lorsque le couvercle était retiré, la conductivité augmentait. Il a également constaté que l’effet n’était pas dû à une variation de température.

En 1874, le physicien allemand Ferdinand Braun (voir le portrait voisin), un jeune diplômé de 24 ans de l’université de Berlin, étudiait les caractéristiques des électrolytes et des cristaux conducteurs d’électricité à l’université de Würzburg. Lorsqu’il a sondé un cristal de galène (sulfure de plomb) avec la pointe d’un fin fil métallique, Braun a remarqué que le courant circulait librement dans un seul sens. Il avait découvert l’effet de rectification au point de contact entre les métaux et certains matériaux cristallins.
Braun a fait la démonstration de ce dispositif semi-conducteur à un public à Leipzig le 14 novembre 1876, mais il n’a trouvé aucune application utile jusqu’à l’avènement de la radio au début des années 1900, lorsqu’il a été utilisé comme détecteur de signal dans un appareil de « radio à cristal ». Le nom descriptif commun du détecteur « moustache de chat » est dérivé de la fine sonde métallique utilisée pour établir un contact électrique avec la surface du cristal. Braun est plus connu pour son développement de l’oscilloscope à tube cathodique (CRT) en 1897, connu sous le nom de « tube de Braun » (Braunsche Röhre en allemand). Il a partagé le prix Nobel 1909 avec Guglielmo Marconi pour ses contributions au développement de la télégraphie sans fil, principalement le développement de circuits accordables pour les récepteurs radio.

Le premier homme, a appliqué les semi-conducteurs à des fins pratiques, était le polymathe bengali Sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937). Jagadish Chandra Bose (voir le portrait à proximité) était un physicien de génie, un biologiste, un botaniste, un archéologue et un écrivain de science-fiction. Pour recevoir le rayonnement, il utilisait une variété de différentes jonctions métal-semiconducteur reliées en série à un galvanomètre très sensible. Il a inventé plusieurs dispositifs à semi-conducteurs, dont le premier est le détecteur à galène, qu’il a inventé entre 1894 et 1898 et dont il a fait la démonstration dans un discours de la Royal Institution en 1900. Dans ce dispositif, une paire de contacts ponctuels (moustaches de chat), dans ce cas de la galène, était connectée en série avec une source de tension et un galvanomètre. Cet appareil pouvait détecter n’importe quel type de rayonnement, ondes hertziennes, ondes lumineuses et autres. Il a appelé son détecteur à contact ponctuel de galène une rétine artificielle (parce qu’avec un arrangement approprié, il pouvait être fait pour détecter uniquement les ondes lumineuses), un radiomètre universel. Bose a ensuite obtenu le premier brevet au monde pour un dispositif à semi-conducteurs, à savoir le détecteur à galène. Parmi ses autres récepteurs semi-conducteurs pionniers à l’état solide, on peut citer le cohérent à ressort spiralé et le cohérent (détecteur) à fer et mercure avec un téléphone.

Entre 1902 et 1906, l’ingénieur électricien de l’American Telephone and Telegraph Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) (voir le portrait voisin) a testé des milliers d’échantillons minéraux pour évaluer leurs propriétés de rectification. Les cristaux de silicium de Westinghouse ont donné certains des meilleurs résultats. Le 20 août 1906, il dépose un brevet américain intitulé « Means for receiving intelligent communication by electric waves » pour un détecteur à contact ponctuel (diode) en silicium, qui lui est accordé en novembre de la même année (voir le brevet américain 836531 de Pickard). Avec deux associés, Pickard a fondé la Wireless Specialty Apparatus Company pour commercialiser des détecteurs radio à cristal « moustaches de chat ». Il s’agit probablement de la première entreprise à fabriquer et à vendre des dispositifs semi-conducteurs en silicium. Un autre inventeur américain-Henry Dunwoody a reçu un brevet sur un système utilisant un détecteur à contact ponctuel en carborundum (carbure de silicium) seulement quelques semaines après Pickard.

En 1915, le physicien américain Manson Benedicks a découvert qu’un cristal de germanium peut être utilisé pour convertir le courant alternatif (AC) en courant continu (DC), c’est-à-dire les propriétés de redressement des cristaux de germanium. C’est ainsi que le germanium a été ajouté à la liste des semi-conducteurs. Jusqu’alors, il s’agissait d’une courte liste composée du silicium, du sélénium et du tellure.

En 1927, les Américains L.O. Grondahl et P.H. Geiger inventent le redresseur à l’oxyde de cuivre. Le brevet américain 1640335 a été délivré le 23 août 1927 à Grondahl.

En 1925, le célèbre inventeur Julius Lilienfeld (voir la photo voisine) a déposé une demande de brevet au Canada, l’année suivante aux USA, décrivant un dispositif, très similaire à un transistor MESFET, qu’il a appelé alors Method and Apparatus for Controlling Electric Currents (voir le brevet américain 1745175 de Lilienfeld).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) était une personne remarquable dans le domaine de la physique et de l’électronique. Le juif autrichien Lilienfeld est né à Lemberg en Autriche-Hongrie (aujourd’hui appelée Lviv en Ukraine). Il a fait des études (doctorat en physique) et a vécu en Allemagne jusqu’au milieu des années 1920, lorsqu’il a décidé d’émigrer aux États-Unis. Outre le brevet susmentionné pour le premier transistor, il était titulaire de plusieurs autres brevets dans ce domaine : le brevet américain 1900018 « Device for controlling electric current » de 1928 pour un transistor MOSFET à couche mince ; le brevet américain 1877140 « Amplifier for electric currents » de 1928, pour un dispositif à l’état solide où le flux de courant est contrôlé par une couche métallique poreuse, une version à l’état solide du tube à vide ; le brevet américain 2013564 « Electrolytic condenser » de 1931, pour le premier condensateur électrolytique. Lorsque Brattain, Bardeen et Shockley ont essayé d’obtenir un brevet sur leur transistor, la plupart de leurs revendications ont été rejetées notamment en raison des brevets de Lilienfeld.

En 1934, un autre scientifique allemand-Oskar Heil (1908-1994), ingénieur électricien et inventeur, a déposé une demande de brevet allemand pour un dispositif précoce de type transistor, décrivant la possibilité de contrôler la résistance dans un matériau semi-conducteur avec un champ électrique, qu’il a appelé Améliorations dans ou relatives aux amplificateurs électriques et autres arrangements et dispositifs de contrôle. En 1935, Heil a reçu un brevet britannique (voir le dessin voisin du brevet britannique), belge et français pour son dispositif.

En 1939, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs aux Bell Telephone Labs du New Jersey, ont tenté sans succès de construire un amplificateur à semi-conducteurs en insérant une minuscule grille de contrôle dans une couche d’oxyde de cuivre. La Seconde Guerre mondiale a mis fin à leurs expériences. En 1947 cependant, le même Brattain, cette fois avec John Bardeen, invente le transistor à contact ponctuel (voir la photo ci-contre du premier transistor, réalisé en germanium). William Shockley (le chef de l’équipe) n’était pas présent à l’époque et n’a pas été crédité de l’invention, ce qui l’a beaucoup énervé. C’est tout aussi bien. Le transistor à contact ponctuel était difficile à fabriquer et pas très fiable. Ce n’était pas non plus le transistor que Shockley voulait, il a donc continué à travailler sur sa propre idée qui a conduit au transistor à jonction, plus facile à fabriquer et fonctionnant mieux. Bardeen et Brattain déposèrent une demande de brevet le 17 juin 1948 et le brevet fut délivré le 3 octobre 1950 (voir le brevet).

William Shockley déposa son premier brevet pour le transistor à jonction presque au même moment-U.S. Patent 2569347 fut déposé le 26 juin 1948 et délivré le 25 septembre 1951 (voir le premier brevet de Shockley).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) et Walter Houser Brattain (1902-1987), (voir la photo du bas) ont partagé le prix Nobel de physique en 1956 « pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et leur découverte de l’effet transistor ».

Bardeen (gauche), Shockley (milieu) et Brattain (droite)

Alors, comment fonctionne un transistor ?

La conception d’un transistor lui permet de fonctionner comme un amplificateur ou un commutateur. Ceci est accompli en utilisant une petite quantité d’électricité pour contrôler une porte sur un approvisionnement beaucoup plus grand d’électricité, un peu comme tourner une vanne pour contrôler un approvisionnement en eau.
Les transistors sont composés de trois parties, appelées une base, un collecteur et un émetteur. La base est le dispositif de contrôle de la porte pour la plus grande alimentation électrique. Le collecteur est la plus grande alimentation électrique, et l’émetteur est la sortie pour cette alimentation. En envoyant différents niveaux de courant depuis la base, la quantité de courant traversant la grille depuis le collecteur peut être régulée. De cette façon, une très petite quantité de courant peut être utilisée pour contrôler une grande quantité de courant, comme dans un amplificateur. Le même processus est utilisé pour créer le code binaire des processeurs numériques, mais dans ce cas, un seuil de tension de cinq volts est nécessaire pour ouvrir la grille du collecteur. De cette façon, le transistor est utilisé comme un interrupteur avec une fonction binaire : cinq volts-ON, moins de cinq volts-OFF.