Chaque fois que vous décrochez le téléphone, vous touchez un transistor. Vous le faites clignoter sur un écran d’ordinateur. Internet dépend de millions d’utilisateurs pour fonctionner. Mais que sont-ils exactement ?
Considérez le transistor comme une prise très précise. Il ne s’agit pas seulement d’activer ou de désactiver la circulation. Il contrôle la quantité d’eau qui passe. Dans le monde de l’électricité, « l’eau » est le flux d’électrons. Les transistors contrôlent ce flux de manière très précise, permettant aux circuits d’activer et de désactiver les signaux ou de les amplifier afin qu’ils puissent voyager plus loin.
Sans un tel contrôle, les appareils électroniques modernes seraient non seulement encombrants, mais cesseraient même d’exister.
Le timing accidentel du prédécesseur du silicium
L’invention du transistor n’est pas un acte de génie fortuit. Cela nécessite des matériaux qui ne peuvent être produits scientifiquement qu’à certains moments de l’histoire.
Les premiers transistors créés aux Laboratoires Bell étaient en germanium. Les scientifiques savent que le germanium pur est un isolant et empêche la circulation de l’électricité. Cependant, il a été constaté que l’ajout de petites impuretés via un processus appelé dopage en faisait un conducteur faible. Cela a conduit à la naissance des semi-conducteurs.
Les semi-conducteurs se situent quelque part entre les deux. Ce ne sont pas des conducteurs parfaits comme le cuivre, ni des isolants parfaits comme le verre. Ils peuvent être réglés.
Pourquoi est-ce arrivé juste après la Seconde Guerre mondiale ? timing. L’effort de guerre a permis des progrès majeurs dans le raffinage du germanium pur et l’amélioration des techniques de dopage. Soudain, les matières premières nécessaires à la fabrication des transistors atteignirent enfin la pureté requise. Avant cela, ces choses n’existaient pas sous une forme utilisable.
Jonctions P-N : la voie à sens unique de l’électronique
Le dopage détermine le comportement des semi-conducteurs. Selon les éléments ajoutés au germanium, l’un des événements suivants peut se produire :
- Type N : Les additifs ajoutent des électrons supplémentaires. Parce qu’ils sont chargés négativement, le matériau tente d’expulser les électrons.
- Type P : Le dopant supprime un électron et crée un « trou » là où se trouvait l’électron. Cela amène le matériau à se charger positivement et à attirer les électrons des matériaux voisins.
Placer une couche de type N à côté d’une couche de type P crée une diode P-N.
Cette intersection est dotée d’une circulation électrique à sens unique. L’électricité circule facilement dans un sens, mais est bloquée dans l’autre sens. Cette propriété est à la base du redressement, qui convertit le courant alternatif (AC) en courant continu (DC) et constitue la pierre angulaire de tous les circuits complexes.
Des diodes aux transistors à jonction
Les diodes sont utiles, mais les transistors sont aussi puissants. Pour y parvenir, les ingénieurs ont superposé ces matériaux les uns après les autres.
Le résultat final est une structure P-N-P ou N-P-N. La couche intermédiaire est appelée la base. Le point d’intersection des couches s’appelle les jonctions. Par conséquent, le dispositif d’origine est souvent appelé transistor à jonction.
Il y a de la magie ici. En dirigeant un petit courant dans cette couche de base, des courants beaucoup plus importants peuvent être dirigés vers le reste du dispositif.
Lorsqu’un petit courant est appliqué à la base, la grille s’ouvre et les électrons se déplacent du côté de type N vers le côté de type P. Cette petite entrée agit comme un interrupteur. Un courant important peut le traverser. Lorsque l’entrée est arrêtée, le courant important s’arrête.
En raison de cette double fonction, les transistors constituent l’épine dorsale de l’informatique. Ceux-ci agissent comme des commutateurs de porte logique (0 ou 1, activé ou désactivé). Ceux-ci agissent comme des amplificateurs (amplifiant les signaux faibles) pour les radios, l’audio et les capteurs.
Le virage du silicium
Depuis plus de 20 ans, les transistors au germanium sont omniprésents. Ceux-ci fonctionnaient sur les premières radios, ordinateurs et téléviseurs.
Cependant, le germanium a aussi ses inconvénients. Il est sensible à la chaleur et plus difficile à affiner de manière cohérente. Finalement, l’industrie s’est tournée vers les semi-conducteurs à base de silicium. Le silicium est abondant, peu coûteux à manipuler et bien plus fiable sous différentes températures.
Peu de personnes utilisent actuellement le germanium pour fabriquer de nouveaux appareils électroniques commerciaux. Mais le principe est le même. Les couches de type N et P dansent toujours ensemble, échangeant du courant et amplifiant le signal. La matière a changé. Ce n’est pas le cas de la physique.
Nous sommes passés de gros blocs de germanium à
