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Le chemin vers les commutateurs à semi-conducteurs a été long et complexe. Il a commencé par la découverte que certains matériaux se comportent de manière étrange en présence d'électricité, contrairement aux théories existantes à l'époque. Cela a été suivi par l'histoire de la façon dont, au XXe siècle, la technologie est devenue une discipline de plus en plus scientifique et institutionnelle. Des amateurs, des novices et des inventeurs professionnels, souvent sans formation scientifique, ont apporté des contributions significatives à la naissance du télégraphe, de la téléphonie et de la radio. Pourtant, comme nous le verrons, presque toutes les avancées dans l'histoire de l'électronique à semi-conducteurs ont été réalisées par des scientifiques formés dans des universités (et généralement titulaires d'un doctorat en physique), travaillant dans des universités ou des laboratoires de recherche corporatifs.
Toute personne ayant accès à un atelier et possédant des compétences de base en travail des matériaux peut assembler un relais à partir de fils, de métal et de bois. La création de lampes électroniques nécessite des outils plus spécialisés, capables de créer une ampoule en verre et de faire le vide à l'intérieur. Les dispositifs à semi-conducteurs ont quant à eux disparu dans un terrier de lapin, d'où le commutateur numérique ne reviendra jamais, s'enfonçant toujours plus profondément dans des mondes compréhensibles uniquement par des mathématiques abstraites et accessibles uniquement grâce à un équipement incroyablement coûteux.
Galénite
En 1874 , un physicien de 24 ans de l'École Saint-Thomas à Leipzig, publia le premier d'une multitude d'importants travaux scientifiques au cours de sa longue carrière. Son étude "Sur la conduction des courants électriques à travers les sulfures métalliques" fut acceptée dans le journal Pogendorff’s Annalen, une revue prestigieuse dédiée aux sciences physiques. Malgré un titre ennuyeux, le travail de Braun décrivait plusieurs résultats expérimentaux étonnants et mystérieux.
Ferdinand Braun
Braun a été intrigué par les sulfures - des cristaux minéraux composés de composés sulfurés avec des métaux - grâce aux travaux de . Déjà en 1833, Michael Faraday a noté que la conductivité du sulfure d'argent augmente avec la température, ce qui est totalement opposé au comportement des conducteurs métalliques. Gittorf a dressé un rapport quantitatif détaillé sur les mesures de cet effet dans les années 1850, pour les sulfures d'argent et de cuivre. Maintenant, Brown, utilisant un dispositif expérimental ingénieux qui pressait un fil métallique contre un cristal de sulfure avec un ressort pour assurer un bon contact, a découvert quelque chose d'encore plus étrange. La conductivité des cristaux dépendait de la direction - par exemple, le courant pouvait bien circuler dans un sens, mais en inversant la polarité de la batterie, le courant pouvait soudainement chuter abruptement. Les cristaux dans une direction fonctionnaient davantage comme des conducteurs (comme des métaux normaux), tandis que dans l'autre, ils agissaient davantage comme des isolants (comme le verre ou le caoutchouc). Cette propriété est devenue connue sous le nom de redressement, en raison de sa capacité à redresser le courant alternatif « tortueux », le transformant en courant continu « plat ».
À peu près à la même époque, les chercheurs ont découvert d'autres propriétés étranges de matériaux comme le sélénium, qui pouvait être extrait de certains minerais sulfureux de métaux. Sous l'effet de la lumière, le sélénium augmentait sa conductivité et commençait même à générer de l'électricité, et pouvait également être utilisé pour le redressement. Y avait-il un lien ici avec les cristaux de sulfure ? En l'absence de modèles théoriques capables d'expliquer ce qui se passait, règnait la confusion dans ce domaine.
Cependant, l'absence de théorie n'a pas empêché les efforts pour une application pratique des résultats. À la fin des années 1890, Brown est devenu professeur à l'université de Strasbourg - récemment annexée à la France lors de et renommée Université du Kaiser Wilhelm. Là, il a été attiré par le nouveau monde passionnant de la télégraphie sans fil. Il a accepté l'offre d'un groupe d'entrepreneurs de co-développer un système de communication sans fil basé sur la transmission d'ondes radio à travers l'eau. Cependant, lui et ses associés ont rapidement abandonné l'idée initiale au profit de la transmission aérienne de signaux, que Marconi et d'autres utilisaient.
Parmi les aspects de la radio que le groupe de Brown voulait améliorer, se trouvait le récepteur standard de l'époque, . Il était basé sur le fait que les ondes radio faisaient s'agglutiner des copeaux métalliques, permettant ainsi au courant de la batterie de passer à l'appareil de signalisation. Cela fonctionnait, mais le système ne réagissait qu'à des signaux relativement forts, et pour casser le tas de copeaux, il fallait frapper constamment l'appareil. Brown se souvenait de ses anciennes expériences avec des cristaux de sulfure, et en 1899, il recréa son ancien dispositif expérimental avec un nouvel objectif – servir de détecteur de signaux sans fil. Il utilisa l'effet de redressement pour convertir le minuscule courant oscillant généré par les ondes radio passant dans le dispositif en courant continu, qui pouvait alimenter un petit haut-parleur, produisant des clics audibles pour chaque point ou tiret. Cet appareil a ensuite été connu sous le nom de «» en raison de l'apparence du fil qui touchait facilement le sommet du cristal. En Inde britannique (où se trouve aujourd'hui le Bangladesh), le scientifique et inventeur Jagadish Bose construisit un dispositif similaire, peut-être même en 1894. D'autres commencèrent bientôt à fabriquer des détecteurs similaires à base de silicium et de carborundum (carbure de silicium).
Cependant, c'est le , sulfure de plomb, qui était fondu pour obtenir du plomb depuis les temps anciens, qui est devenu le matériau préféré pour les détecteurs cristallins. Ils étaient simples à fabriquer et peu coûteux, ce qui les a rendus extrêmement populaires parmi la première génération d'amateurs de radio. De plus, contrairement au cohéreur binaire (avec des copeaux qui s'agglutinaient ou non), le redresseur cristallin pouvait reproduire un signal continu. Ainsi, il pouvait produire des transmissions vocales et musicales audibles à l'oreille, et pas seulement le code Morse avec ses points et tirets.
Détecteur « moustache de chat » en galénite. Le petit morceau de fil à gauche est la moustache, et le morceau de matériau argenté en bas – le cristal de galénite.
Cependant, comme l'ont rapidement découvert des amateurs de radio frustrés, trouver le point magique sur la surface du cristal qui assurerait un bon redressement pouvait prendre des minutes, voire des heures. De plus, les signaux sans amplification étaient faibles et avaient une résonance métallique. Dans les années 1920, les récepteurs à lampes électroniques avec des amplificateurs à triode avaient pratiquement rendu obsolètes les détecteurs à cristal presque partout. Leur seul attrait restait leur faible coût.
Cette brève apparition sur le marché des récepteurs radio semblait être la limite de l'application pratique des étranges propriétés électriques du matériau, découvertes par Braun et d'autres.
Oxyde de cuivre
Puis, dans les années 1920, un autre physicien nommé Lars Grondahl a découvert quelque chose d'étrange à l'aide de son installation expérimentale. Grondahl, le premier d'une série d'hommes brillants et inflexibles de l'histoire de l'Ouest américain, était le fils d'un ingénieur constructeur. Son père, ayant émigré de Norvège en 1880, a travaillé pendant plusieurs décennies sur les chemins de fer en Californie, en Oregon et dans l'État de Washington. Au départ, Grondahl semblait vouloir laisser derrière lui le monde de l'ingénierie de son père, et il s'est dirigé vers l'Institut Johns Hopkins pour obtenir un doctorat en physique afin de suivre un chemin académique. Mais ensuite, il s'est également impliqué dans le secteur ferroviaire et a pris un poste de directeur de recherche chez Union Switch and Signal, une filiale d'un géant industriel. , fournissant des équipements pour l'industrie ferroviaire.
Différentes sources indiquent des raisons contradictoires qui ont poussé Grondahl à mener ses recherches, 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. En travaillant avec eux, il a remarqué l'asymétrie du courant : la résistance dans un sens était trois fois plus élevée que dans l'autre. Un disque en cuivre et en oxyde de cuivre redressait le courant, tout comme un cristal de sulfure.
Schéma de redresseur en oxyde de cuivre
Au cours des six années suivantes, Grondahl a développé un redresseur commercial prêt à l'emploi basé sur ce phénomène, avec l'aide d'un autre chercheur américain, Paul Geiger, puis a soumis une demande de brevet et annoncé sa découverte à la Société américaine de physique en 1926. L'appareil est immédiatement devenu un succès commercial. Grâce à l'absence de fils fragiles, il était beaucoup plus fiable que le redresseur à lampes électroniques basé sur le principe de l'valve de Fleming, et il était bon marché à produire. Contrairement aux redresseurs à cristaux de Brown, il fonctionnait du premier coup et, grâce à une plus grande surface de contact entre le métal et l'oxyde, il fonctionnait dans une plus large gamme de courants et de tensions. Il pouvait charger des batteries, détecter des signaux dans divers systèmes électriques et agir comme un shunt de sécurité dans des générateurs puissants. Lorsqu'il était utilisé comme cellule photoélectrique, les disques pouvaient servir de compteurs de lumière et étaient particulièrement utiles en photographie. D'autres chercheurs ont développé à peu près à la même époque des redresseurs en sélénium, ayant trouvé des applications similaires.
Un paquet de redresseurs à base d'oxyde de cuivre. L'assemblage de plusieurs disques augmentait la résistance inverse, ce qui permettait de les utiliser à haute tension.
Quelques années plus tard, deux physiciens des Laboratoires Bell, Joseph Becker et , ont décidé d'étudier le principe de fonctionnement du redresseur en cuivre - ils étaient intéressés à comprendre comment il fonctionnait et comment il pouvait être utilisé au sein de la Bell System.
Brattain âgé – vers 1950
Brattain était originaire de la même région que Grondahl, sur la côte 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, montrant des aptitudes dans ce domaine, et a finalement obtenu un doctorat à l'université du Minnesota à la fin des années 1920, puis a commencé à travailler aux Laboratoires Bell en 1929. Parmi d'autres sujets, il a étudié la nouvelle physique théorique qui gagnait en popularité en Europe, connue sous le nom de mécanique quantique (son superviseur était , qui a également conseillé John Atanasoff).
Révolution quantique
Une nouvelle plateforme théorique a lentement évolué au cours des trois dernières décennies, et un jour, elle sera capable d'expliquer tous les phénomènes étranges observés pendant de nombreuses années dans des matériaux tels que la galène, le sélénium et l'oxyde de cuivre. Une véritable cohorte de physiciens, principalement jeunes, surtout d'Allemagne et des pays voisins, a provoqué un bouleversement quantique dans la physique. Partout où l'on regarde, ils découvraient non pas un monde fluide et continu, tel qu'on leur avait enseigné, mais de curieuses unités discrètes.
Tout a commencé dans les années 1890. Max Planck, professeur réputé de l'Université de Berlin, a décidé de travailler sur un problème célèbre non résolu : comment un "" (une substance idéale qui absorbe toute l'énergie et ne la renvoie pas) émet des rayonnements dans le spectre électromagnétique ? Différents modèles ont été essayés, aucun d'entre eux ne correspondait aux résultats expérimentaux – ils échouaient soit à une extrémité, soit à l'autre du spectre. Planck a découvert que si l'on suppose que l'énergie est émise par le corps par petits "paquets" de grandeurs discrètes, alors il est possible d'écrire une simple loi de relation entre fréquence et énergie, qui coïncide parfaitement avec les résultats empiriques.
Peu après, Einstein a découvert que cela s'appliquait également à l'absorption de la lumière (le premier indice sur les 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. Ensuite, Niels Bohr a créé un modèle expliquant comment les atomes excités émettent des rayonnements, en assignant aux électrons des orbites distinctes dans l'atome, chacune ayant sa propre énergie. Cependant, ce terme est trompeur, car ils ne se comportent pas du tout comme les orbites planétaires – dans le modèle de Bohr, les électrons passaient instantanément d'une orbite ou d'un niveau d'énergie à un autre, sans passer par un état intermédiaire. Enfin, dans les années 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born et d'autres ont créé une plateforme mathématique généralisée, connue sous le nom de mécanique quantique, englobant tous les modèles quantiques particuliers qui avaient été développés au cours des vingt années précédentes.
À cette époque, les physiciens étaient déjà convaincus que des matériaux tels que le sélénium et la galène, présentant des propriétés photovoltaiques et redresseurs, appartenaient à une catégorie distincte de matériaux qu'ils avaient nommée semi-conducteurs. Cette classification a pris du temps pour plusieurs raisons. Tout d'abord, les catégories de "conducteurs" et "isolants" étaient suffisamment vastes. Les soi-disant "conducteurs" différaient considérablement en conductivité, de même (dans une moindre mesure) pour les isolants, et il n'était pas évident de déterminer comment un certain conducteur pouvait être classé dans l'un de ces groupes. De plus, jusqu'à la moitié du XXe siècle, il était impossible d'obtenir ou de créer des substances très pures, et toute anomalie dans la conductivité des matériaux naturels pouvait toujours être attribuée à la contamination.
Les physiciens disposaient maintenant à la fois d'outils mathématiques issus de la mécanique quantique et d'une nouvelle classe de matériaux sur lesquels les appliquer. Le théoricien britannique a été le premier à regrouper tout cela et à construire un modèle général des semi-conducteurs et de leur fonctionnement en 1931.
Au début, Wilson a affirmé que les matériaux conducteurs se distinguent des diélectriques par l'état des zones d'énergie. La mécanique quantique stipule que les électrons peuvent exister à un nombre limité de niveaux d'énergie propres aux couches ou à des orbitales d'atomes individuels. Lorsque ces atomes sont compressés ensemble dans la structure d'un matériau, il est plus approprié de concevoir des zones d'énergie continues traversant ce matériau. Dans les conducteurs, il y a des espaces libres dans les zones d'énergie élevées, et un champ électrique peut librement y déplacer des électrons. Dans les isolants, les zones sont remplies, et pour atteindre une zone d'énergie supérieure, conducteur, où le passage de l'électricité est plus facile, il faut grimper assez haut.
Cela l’a conduit à conclure que les impuretés – des atomes étrangers dans la structure du matériau – doivent contribuer à ses propriétés semi-conductrices. Elles peuvent soit fournir des électrons supplémentaires qui passent facilement dans la bande de conduction, soit des trous – l’absence d’électrons par rapport au reste du matériau – ce qui crée des niveaux d'énergie vacants où les électrons libres peuvent se déplacer. La première option a ensuite été appelée des semi-conducteurs de type n (ou électroniques) – en raison de la charge négative excessive, et les secondes – de type p, ou trou – en raison de la charge positive excessive.
Enfin, Wilson a suggéré que le redressement du courant par des semi-conducteurs peut être expliqué en termes d’effet quantique , un saut soudain des électrons à travers une fine barrière électrique dans le matériau. La théorie semblait plausible, mais prédisait que le courant devait circuler de l'oxyde vers le cuivre, alors qu'en réalité, c'était l'inverse.
Ainsi, malgré toutes les percées de Wilson, les semi-conducteurs restaient compliqués à expliquer. Comme il devenait progressivement évident, les changements microscopiques de la structure cristalline et de la concentration des impuretés affectaient de manière disproportionnée leur comportement électrique macroscopique. Ignorant le manque de compréhension – puisque personne n’a pu expliquer les observations expérimentales faites par Brown 60 ans auparavant – Brattain et Becker ont développé un processus de fabrication efficace pour les redresseurs en oxyde de cuivre pour leur employeur. Le Bell System a rapidement commencé à remplacer les redresseurs à lampes électroniques dans tout le système par un nouvel appareil que leurs ingénieurs ont appelé , car sa résistance variait selon la direction.
Médaille d'or
Merwin Kelly, physicien et ancien responsable du département des tubes électroniques des Laboratoires Bell, s'est profondément intéressé à cette réalisation. En quelques décennies, les tubes électroniques avaient rendu des services inestimables à Bell, remplissant des fonctions qui étaient hors de portée de la génération précédente de composants mécaniques et électromécaniques. Cependant, ils produisaient beaucoup de chaleur, surchauffaient régulièrement, consommaient beaucoup d'énergie et étaient difficiles à entretenir. Kelly envisageait de reconstruire le système Bell sur la base de composants électroniques à état solide, plus fiables et durables, comme les varistors, qui n'avaient besoin ni d'enceintes hermétiques remplies de gaz ou vides, ni de filaments incandescents. En 1936, il est devenu responsable du département de recherche des Laboratoires Bell et a commencé à réorienter l'organisation vers un nouveau chemin.
Après avoir obtenu le redresseur à état solide, la prochaine étape évidente était de créer un amplificateur à état solide. Naturellement, tout comme l'amplificateur à lampes, un tel appareil pourrait également fonctionner comme un commutateur numérique. Cela a particulièrement intéressé Bell, car d'innombrables commutateurs numériques électromécaniques fonctionnaient encore dans les centraux téléphoniques. L'entreprise recherchait un remplacement plus fiable, compact, économe en énergie et frais pour le tube électronique dans les systèmes téléphoniques, les récepteurs radio, les radars et d'autres équipements analogiques, où ils étaient utilisés pour amplifier les signaux faibles à un niveau audible par l'oreille humaine.
En 1936, les Laboratoires Bell ont enfin levé l'interdiction de recruter du personnel, imposée pendant la . Kelly a immédiatement commencé à embaucher des experts en mécanique quantique pour l'aider à lancer son programme de recherche sur les dispositifs à état solide, parmi lesquels se trouvait , un autre originaire de la côte ouest, de Palo Alto (Californie). Le sujet de sa thèse récemment soutenue au MIT convenait parfaitement aux besoins de Kelly : « Zones électroniques dans le chlorure de sodium ».
Brattain et Becker poursuivaient à l'époque leurs recherches sur le redresseur en oxyde de cuivre, cherchant à obtenir un amplificateur solide amélioré. La manière la plus évidente de le fabriquer était de s'inspirer de la lampe électronique. Tout comme Lee de Forest a pris un amplificateur à lampes et entre le cathode et l'anode, Brattain et Becker ont imaginé comment insérer une grille à l'endroit de contact entre le cuivre et l'oxyde de cuivre, où l'on supposait qu'un redressement se produisait. Cependant, en raison de l'épaisseur réduite de la couche, ils ont jugé cela impossible et n'ont pas réussi.
Pendant ce temps, d'autres développements ont montré que les laboratoires Bell n'étaient pas la seule entreprise intéressée par l'électronique solide. En 1938, Rudolf Hilsh et Robert Pease ont publié les résultats d'expériences menées à l'université de Göttingen sur un amplificateur solide opérationnel, créé par l'insertion d'une grille dans un cristal de bromure de potassium. Cet appareil de laboratoire n'avait pas de valeur pratique – principalement parce qu'il fonctionnait à une fréquence ne dépassant pas 1 Hz. Néanmoins, cette réalisation a réjoui tous ceux qui s'intéressaient à l'électronique solide. La même année, Kelly a assigné Shockley à un nouveau groupe de recherche indépendant sur les dispositifs solides et lui a accordé, ainsi qu'à ses collègues – Foster Nickles et Dean Woolridge – carte blanche pour étudier leurs capacités.
Au moins deux autres inventeurs ont réussi à créer des amplificateurs solides avant la Seconde Guerre mondiale. En 1922, le physicien et inventeur soviétique a publié les résultats d'expériences réussies avec des semi-conducteurs de zincite, mais ses travaux sont restés inaperçus par la communauté occidentale ; en 1926, l'inventeur américain Julius Lilienfeld a déposé une demande de brevet pour un amplificateur solide, mais il n'existe aucune preuve du fonctionnement de son invention.
La première grande révélation de Shockley à son nouveau poste est survenue lors de la lecture de l'ouvrage du physicien britannique Neville Mott, « Théorie des redresseurs cristallins » de 1938, qui expliquait enfin le principe de fonctionnement du redresseur de Grondal à base d'oxyde de cuivre. Mott a utilisé les mathématiques de la mécanique quantique pour décrire la formation d'un champ électrique à l'interface entre un métal conducteur et un oxyde semi-conducteur, et comment les électrons « sautent » par-dessus cette barrière électrique, plutôt que de tunneliser comme l'avait proposé Wilson. Le courant passe plus facilement du métal au semi-conducteur que l'inverse, car le métal possède beaucoup plus d'électrons libres.
Cela a conduit Shockley à une idée exactement similaire à celle que Brattain et Becker avaient envisagée et rejetée des années auparavant : fabriquer un amplificateur à semi-conducteurs en insérant une grille d'oxyde de cuivre entre le cuivre et l'oxyde de cuivre. Il espérait que le courant passant par la grille augmenterait la barrière limitant le courant qui va du cuivre à l'oxyde, créant ainsi une version inversée et amplifiée du signal sur la grille. Sa première tentative grossière a échoué complètement, alors il s'est tourné vers quelqu'un qui avait des compétences de laboratoire plus affinées et bien familiarisé avec les redresseurs - Walter Brattain. Et, bien qu'il n'eût aucun doute quant à l'issue, Brattain a accepté de satisfaire la curiosité de Shockley et a créé une version plus complexe de l'amplificateur à « grille ». Elle a également refusé de fonctionner.
Puis la guerre est intervenue, laissant le nouveau programme de recherche de Kelly dans le désarroi. Kelly a pris la tête d'un groupe de travail sur les radars aux Laboratoires Bell, soutenu par le principal centre de recherche radar des États-Unis au MIT. Brattain a travaillé peu de temps sous sa direction, puis a rejoint les recherches sur la détection magnétique des sous-marins pour la marine. Woolridge travaillait sur des systèmes de contrôle de tir, Nix sur la diffusion des gaz pour le projet Manhattan, et Shockley est passé à la recherche opérationnelle, d'abord impliqué dans la lutte contre les sous-marins dans l'Atlantique, puis dans les bombardements stratégiques dans le Pacifique.
Cependant, malgré cette intervention, la guerre n'a pas ralenti le développement de l'électronique à état solide. Au contraire, elle a entraîné un grand afflux de ressources dans ce domaine et a conduit à la concentration des recherches sur deux matériaux : le germanium et le silicium.
À lire aussi
Ernest Bruan et Stuart MacDonald, Révolution en miniature (1978)
Friedrich Kurylo et Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson et W. H. Brattain, « Histoire de la recherche sur les semi-conducteurs », Procédures de l'IRE (décembre 1955).
Michael Riordan et Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Source : habr.com
