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Le transistor
Le transistor est un composant qui amplifie ou commute un courant. Inventé aux laboratoires Bell en décembre 1947, il est la brique de base des puces, qui en contiennent des milliards.
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Le transistor est sans doute l’objet le plus fabriqué de l’histoire humaine : on en produit chaque année des milliards de milliards. Ordinateurs, smartphones, voitures, satellites, appareils médicaux : toute l’électronique repose sur lui. Il a remplacé le tube à vide, encombrant, fragile et gourmand en énergie.
Ce que fait un transistor
Un transistor a trois connexions. Un petit signal appliqué sur l’une d’elles contrôle un courant beaucoup plus fort entre les deux autres. Il peut ainsi jouer deux rôles :
| Rôle | Fonctionnement | Usage |
|---|---|---|
| amplificateur | une petite variation de courant en produit une grande | radio, amplificateurs audio |
| interrupteur | le courant passe ou ne passe pas, sans pièce mobile | logique numérique : 1 ou 0 (voir système binaire) |
En combinant des transistors interrupteurs, on construit des portes logiques (ET, OU, NON), puis des additionneurs, des mémoires et des processeurs (voir processeur).
Les semi-conducteurs
Le transistor est fait d’un semi-conducteur, presque toujours du silicium. Ce matériau conduit mal l’électricité à l’état pur, mais on peut ajuster finement sa conductivité par dopage, en y introduisant des traces d’autres éléments :
- dopage n (phosphore, arsenic) : électrons en excès ;
- dopage p (bore) : déficit d’électrons, appelé « trous ».
À la jonction entre zones n et p, le courant ne passe que dans certaines conditions, que la tension appliquée sur la grille ou la base permet de contrôler. Ce comportement s’explique par la mécanique quantique des électrons dans les solides.
Une histoire en dates
| Date | Étape |
|---|---|
| 1904-1907 | diode puis triode à tube à vide (Fleming, De Forest) |
| décembre 1947 | John Bardeen et Walter Brattain réalisent le transistor à pointes aux laboratoires Bell |
| 1948 | William Shockley conçoit le transistor à jonction ; en France, Herbert Mataré et Heinrich Welker présentent le « transistron » |
| 1954 | premier poste de radio à transistors commercialisé ; premiers transistors au silicium |
| 1956 | prix Nobel de physique à Bardeen, Brattain et Shockley |
| 1958-1959 | Jack Kilby (Texas Instruments) puis Robert Noyce (Fairchild) inventent le circuit intégré |
| 1959 | Mohamed Atalla et Dawon Kahng réalisent le transistor MOS, base des puces actuelles |
| 1965 | Gordon Moore formule sa « loi » |
| 1971 | Intel 4004, premier microprocesseur commercial : environ 2 300 transistors |
| 2000 | prix Nobel de physique à Jack Kilby |
| années 2020 | processeurs de plusieurs dizaines de milliards de transistors |
Le transistor a été le premier grand produit de la recherche fondamentale industrielle : les laboratoires Bell cherchaient à remplacer les tubes et les relais du réseau téléphonique.
Le circuit intégré et la loi de Moore
Le circuit intégré, ou puce, réunit sur une même plaquette de silicium des transistors, résistances et connexions, gravés ensemble par photolithographie. En 1965, Gordon Moore, futur cofondateur d’Intel, observe que le nombre de transistors par puce double à intervalle régulier ; il fixe ensuite ce rythme à environ deux ans. Cette tendance, tenue pendant un demi-siècle, explique la baisse spectaculaire du coût du calcul.
La miniaturisation se heurte désormais à des limites physiques : effets quantiques, dégagement de chaleur, coût vertigineux des usines. Les fabricants empilent les transistors en trois dimensions et multiplient les cœurs de calcul.
Un enjeu stratégique
La fabrication des puces les plus avancées est concentrée chez quelques acteurs, en particulier à Taïwan pour la fonderie et aux Pays-Bas pour les machines de lithographie à ultraviolet extrême. La pénurie de puces de 2020-2022, qui a paralysé une partie de l’industrie automobile, a fait du semi-conducteur un enjeu de souveraineté pour les États-Unis, la Chine et l’Union européenne.
Questions fréquentes
Qui a inventé le transistor ?
John Bardeen et Walter Brattain, aux laboratoires Bell, en décembre 1947, sous la direction de William Shockley, qui invente peu après le transistor à jonction. Les trois hommes partagent le prix Nobel de physique 1956.
Combien de transistors y a-t-il dans un smartphone ?
Le processeur d’un smartphone haut de gamme récent contient plus de dix milliards de transistors, sans compter ceux de la mémoire, qui en ajoute bien davantage.
Pourquoi utilise-t-on le silicium ?
Il est abondant (c’est le deuxième élément de la croûte terrestre), forme un oxyde isolant de très bonne qualité et peut être purifié et dopé avec une grande précision.