La révolution du transistor : Comment les transistors ont changé le monde

Tout au long de l'histoire de l'humanité, plusieurs étapes technologiques ont redéfini le progrès humain : la révolution agricole, la révolution industrielle et la découverte de l'électricité. Certaines inventions ont changé le monde : le générateur électrique à courant continu, l'ampoule, le téléphone, le béton, moteurs/générateurs AC, les avions, les trains, les automobiles, les rayons X, et la pénicilline.

Lorsque ces listes sont établies, une invention est souvent négligée : l'invention du transistor. Cet article examine l'histoire des transistors et souligne l'importance de la technologie des transistors dans le monde moderne.

Qu'est-ce qu'un transistor ?

Dans sa forme la plus simple, un transistor est un petit interrupteur à base de semi-conducteurs qui fonctionne comme un interrupteur standard. Les transistors régulent ou contrôlent le flux de courant ou de tension à un niveau microscopique. Les transistors modernes se composent de trois connexions électriques : la source, le drain et la grille. Lorsqu'un petit signal électrique est appliqué à la grille du transistor, le signal électrique principal plus grand est permis à travers le drain.

Diverses configurations modernes permettent d'appliquer différentes tensions primaires et secondaires à ces fils, ce qui est souvent fonction des matériaux semi-conducteurs utilisés. Par exemple, les transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFETS) standard à base de silicium nécessitent 1000mm*Rds(on) avec une tension de grille de 5V et une tension de drain-source de 200, tandis que les semi-conducteurs en nitrure de gallium n'ont besoin que de 60mm*Rds(on) aux mêmes tensions (une réduction de 16x).

Comment les transistors sont-ils utilisés ?

Les transistors sont utilisés dans presque tous les appareils électroniques modernes. Ils sont la fondation des circuits intégrés (CI), des microcircuits, microprocesseurs, FPGAs, puces mémoire, interrupteurs électroniques, alimentations électriques, et bien plus encore. En conséquence, presque tous les appareils électroniques modernes se composent d'au moins un transistor, sinon de millions d'entre eux.

Par exemple, un adaptateur de charge standard pour iPhone Apple se compose d'un seul transistor de commutation MOSFET à haute fréquence et d'un seul transformateur flyback. Ces deux transformateurs travaillent ensemble, parmi de nombreux autres composants passifs, pour prendre une large gamme de puissance AC d'entrée 'sale' et la convertir en tensions de sortie DC 'propres' et bien filtrées utilisées pour charger un iPhone.

Un ordinateur personnel moderne se compose de milliards de transistors. Par exemple, le Dell XPS 15 Laptop utilise un 12ᵗʰ Gen Intel® Core™ i9-12900HK comme unité centrale de traitement (CPU). Bien qu'Intel ne divulgue plus le nombre total de ses transistors, un CPU Apple M1 Max se compose de 57 milliards de transistors. Dans les ordinateurs professionnels de rendu graphique qui utilisent à la fois des CPU et des GPU, le nombre total de transistors peut dépasser des centaines de milliards.

Une brève histoire des transistors

La base conceptuelle d'un transistor est ancrée dans les tubes à vide thermioniques, inventés en 1907 et principalement utilisés dans la technologie radio, les télévisions, le radar et les communications longue distance. Ces amplificateurs à tube à vide consommaient beaucoup d'énergie, étaient très coûteux à fabriquer, pouvaient être très grands et lourds et étaient très fragiles.
 
Les tubes à vide thermioniques utilisent un signal d'entrée pour contrôler le flux de courant électrique entre les électrodes. Les tubes nécessitent un filament chauffé dans un vide, ce qui consomme de l'énergie supplémentaire et les rend sujets à des pannes catastrophiques.
 
Les transistors à effet de champ à semi-conducteurs ont été brevetés pour la première fois par le physicien Julius Edgar Lilienfeld en 1925 au Canada, puis en 1926 et 1928 aux États-Unis. Ces brevets identifiaient les principes des transistors à semi-conducteurs et leur utilisation comme solution alternative aux tubes à vide thermioniques, mais le crédit de Lilienfeld en tant que grand-père de la technologie des transistors s'arrête là. Dans les années 1920, la capacité de fabriquer les matériaux semi-conducteurs de haute qualité nécessaires pour construire les concepts de Lilienfeld n'avait pas encore été inventée.
 
Le premier transistor fonctionnel, le transistor à point de contact, a été inventé en 1947 par les physiciens américains John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley chez Bell Labs. Leur recherche originale sur le comportement des semi-conducteurs était tangentiellement liée aux concepts décrits dans le travail de Lilienfeld, mais leurs tentatives infructueuses de construire des transistors à effet de champ (FETS) les ont conduits à la découverte et à l'invention des transistors bipolaires à point de contact et à jonction. Shockley a déposé le brevet américain pour la première technologie de transistor à jonction bipolaire en juin 1948.
 
Fait intéressant, les physiciens allemands Herbert Matare et Heinrich Welker, travaillant pour une filiale de Westinghouse à Paris, recherchaient des sujets très similaires au début de l'année 1948. Suite à leurs découvertes et à la réalisation qu'ils faisaient la course avec l'équipe de Shockley dans la recherche sur le transistor, ils ont déposé leur premier brevet de transistor le 13 août 1948 en France.
 
Au début des années 1950, des transistors étaient déjà produits à petite échelle pour une utilisation dans les communications radio. Plusieurs découvertes et produits marquants ont suivi au milieu des années 1950 :

• Bell Labs a développé le premier transistor en silicium fonctionnel le 26 janvier 1954.
• Texas Instruments a construit le premier transistor en silicium commercial à la fin de l'année 1954.
• La première radio à transistor, la Regency TR-1, a été lancée en octobre 1954.
• La première radio de voiture entièrement transistorisée a été développée par Chrysler et Philco et dévoilée le 28 avril 1955.
• La première radio à transistor produite en série, la Sony TR-63, a été lancée en 1957 et vendue à sept millions d'unités, ce qui a conduit à l'adoption massive des radios à transistor à la fin des années 1950 et au début des années 1960.

L'importance mondiale du transistor

En moins d'une décennie après sa création, le transistor a révolutionné l'électronique moderne et les instituts de recherche. Les physiciens du monde entier ont furieusement découvert le potentiel de la technologie des transistors.
 
William Shockley, John Bardeen et Walter Brattain de Bell Labs ont reçu le prix Nobel de physique en 1956 « pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et leur découverte de l'effet transistor. » Bien que cette récompense soit d'une reconnaissance énorme, l'impact sur l'humanité et la technologie future a été bien plus significatif.
 
Les transistors sont devenus la base de presque tous les appareils électroniques, systèmes électriques et industries à travers le monde. En 2022, l'industrie mondiale des puces à semi-conducteurs devrait dépasser les 600 milliards de dollars.
 
Que vous soyez un contrôleur aérien en Australie, un banquier en Belgique, un concessionnaire automobile au Canada, un éducateur en Égypte, un agriculteur en France, un investisseur en valeurs mobilières à Singapour, ou un joueur vidéo au Venezuela, vous utilisez la technologie des transistors dans votre vie quotidienne. L'invention du transistor est peut-être l'invention la plus importante du XXe siècle. Sans transistors, des technologies fondamentales courantes telles qu'Internet, les téléphones portables, la médecine moderne et le transport moderne n'auraient peut-être jamais existé.