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

Lorsque ces listes sont compilées, une invention est souvent oubliée : 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 minuscule interrupteur à base de semi-conducteurs qui fonctionne comme un interrupteur d’éclairage standard. Les transistors régulent ou contrôlent le flux de courant ou de tension à un niveau microscopique. Les transistors modernes sont constitués de trois fils électriques : la source, le drain et la grille. Lorsqu’un petit signal électrique est appliqué à la grille du transistor, le signal électrique primaire plus important est autorisé par le drain.

Diverses configurations modernes permettent d’appliquer à ces fils des tensions primaires et secondaires différentes, qui sont souvent fonction des matériaux semi-conducteurs utilisés. Par exemple, les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFETS) standard à base de silicium nécessitent 1 000 mm*Rds(on) à une tension de grille de 5 V et une tension drain-source de 200, alors que les semi-conducteurs en nitrure de galium ne nécessitent que 60 mm*Rds(on) aux mêmes tensions (une réduction de 16x).

Comment sont utilisés les transistors ?

Les transistors sont utilisés dans presque toute l’électronique moderne. Ils sont à la base des circuits intégrés (IC), des micro-puces, des microprocesseurs, des FPGA, des puces à mémoire, des commutateurs électroniques, des alimentations électriques, et bien plus encore. Par conséquent, presque tous les appareils électroniques modernes sont constitués d’au moins un transistor, voire de millions d’entre eux.

Par exemple, un adaptateur de charge standard pour iPhone d’Apple se compose d’un seul transistor de commutation MOSFET haute fréquence et d’un seul transformateur flyback. Ces deux transformateurs fonctionnent ensemble, parmi de nombreux autres composants passifs, pour prendre un large éventail de courant alternatif d’entrée « sale » et le convertir en tensions de sortie continues « propres » et bien filtrées utilisées pour charger un iPhone.

Un ordinateur personnel moderne est constitué de milliards de transistors. Par exemple, l’ordinateur portable Dell XPS 15 utilise un processeur Intel® Core™ i9-12900HK 12e génération comme unité centrale de traitement (CPU). Alors qu’Intel ne divulgue plus le nombre total de ses transistors, un processeur M1 Max d’Apple se compose de 57 milliards de transistors. Dans les ordinateurs professionnels de rendu graphique qui utilisent à la fois l’unité centrale de traitement et des unités de traitement graphique, le nombre total de transistors peut dépasser les centaines de milliards.

Une brève histoire des transistors

Le fondement conceptuel d’un transistor trouve son origine dans les tubes à vide thermioniques, inventés en 1907 et utilisés principalement dans la technologie radio, les télévisions, les radars et les communications à longue distance. Ces amplificateurs à tubes 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 sous vide, ce qui consomme de l’énergie supplémentaire et les rend sujets à des défaillances catastrophiques.

Les transistors à effet de champ à l’état solide 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 identifient 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 20, il n’était pas encore possible de fabriquer les matériaux semi-conducteurs de haute qualité nécessaires à la réalisation des concepts de Lilienfeld.

Le premier transistor fonctionnel, le transistor à contact ponctuel, a été inventé en 1947 par les physiciens américains John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley à Bell Labs. Leurs recherches initiales sur le comportement des semi-conducteurs étaient tangentiellement liées aux concepts exposés dans les travaux 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 contact ponctuel et à jonction. Shockley a déposé le brevet américain pour la première technologie de transistor à jonction bipolaire en juin 1948.

Il est intéressant de noter que les physiciens allemands Herbert Matare et Heinrich Welker, travaillant pour une filiale de Westinghouse à Paris, effectuaient des recherches très similaires début 1948. Après avoir fait des découvertes et s’être rendu compte qu’ils devançaient l’équipe de Shockley dans la recherche sur les transistors, ils ont déposé leur premier brevet sur les transistors le 13 août 1948, en France.

Au début des années 50, les transistors étaient déjà produits à petite échelle pour être utilisés dans les communications radio. Plusieurs découvertes et produits marquants ont suivi au milieu des années 50 :

• Bell Labs a mis au point le premier transistor en silicium fonctionnel le 26 janvier 1954.
• Texas Instruments a construit le premier transistor commercial en silicium à la fin de 1954.
• La première radio à transistor, la Regency TR-1, est sortie en octobre 1954.
• Le premier autoradio de série à transistors a été mis au point par Chrysler et Philco et dévoilé le 28 avril 1955.
• La première radio à transistors produite en masse, la Sony TR-63, a été lancée en 1957 et s’est vendue à sept millions d’exemplaires, ce qui a conduit à l’adoption massive des radios à transistors à la fin des années 50 et au début des années 60.

Dans les années 60, la technologie des transistors était devenue une force technologique dominante. Les tubes à vide sont rapidement devenus obsolètes. En 1965, Gordon Moore, le fondateur de Fairchild Semiconductor et d’Intel, a prédit que le nombre de transistors sur les micropuces doublerait tous les deux ans. La loi de Moore définit une relation linéaire logarithmique de cette densité de transistors au fil du temps. En 1970, les circuits intégrés comptaient environ 2 000 transistors. D’ici 2020, les circuits intégrés de pointe auront largement dépassé les 10 000 000 000.

Source de l’image : Wikipedia

L’importance mondiale du transistor

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 mis au jour le potentiel de la technologie du transistor.

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 ce prix représente une reconnaissance très prestigieuse, l’impact sur l’humanité et les technologies futures sera bien plus important.

Les transistors constituent la base de presque tous les appareils électroniques, systèmes électriques et industries de la planète. En 2022, l’industrie mondiale des puces semi-conductrices devrait dépasser les 600 milliards de dollars.

Que vous soyez contrôleur aérien en Australie, banquier en Belgique, concessionnaire automobile au Canada, éducateur en Égypte, agriculteur en France, investisseur en valeurs mobilières à Singapour ou joueur de jeux vidéo au Venezuela, vous utilisez la technologie du transistor dans votre vie quotidienne. L’invention du transistor est peut-être l’invention la plus importante du XXe siècle. Sans les transistors, des technologies essentiellement et aujourd’hui devenues banales telles que l’Internet, les téléphones portables, la médecine moderne et les transports modernes n’auraient peut-être jamais existé.