Composant semi-conducteur

Structure n–p–n du transistor bipolaire

Les transistor bipolaire sont formées de deux jonctions p-n, en configuration n-p-n ou p-n-p. Le milieu, ou base, la région située entre les jonctions est généralement très étroite. Les autres régions, et leurs bornes associées, sont appelées émetteur et collecteur. Un faible courant injecté dans la jonction entre la base et l'émetteur modifie les propriétés de la jonction base-collecteur de sorte qu'elle peut conduire le courant même si elle est polarisée en sens inverse. Cela crée un courant beaucoup plus important entre le collecteur et l'émetteur, contrôlé par le courant base-émetteur[6].

Un autre type de transistor, le transistor à effet de champ (FET), fonctionne selon le principe que la conductivité du semi-conducteur peut être augmentée ou diminuée par la présence d'un champ électrique. Un champ électrique peut augmenter le nombre d'électrons et de trous libres dans un semi-conducteur, modifiant ainsi sa conductivité. Le champ peut être appliqué par une jonction p-n polarisée en inverse, formant un transistor à effet de champ à jonction (JFET) ou par une électrode isolée du matériau de base par une couche d'oxyde, formant un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET).

Fonctionnement d'un MOSFET et sa courbe Id-Vg. Au début, lorsqu'aucune tension de grille n'est appliquée. Il n'y a pas d'électron d'inversion dans le canal, le dispositif est éteint. Lorsque la tension de grille augmente, la densité d'électrons d'inversion dans le canal augmente, le courant augmente, le dispositif s'allume.

Le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET, ou transistor MOS), un dispositif à l'état solide, est de loin le dispositif à semi-conducteur le plus utilisé aujourd'hui. Il représente au moins 99,9 % de tous les transistors, et on estime que 13 sextillions de MOSFET ont été fabriqués entre 1960 et 2018[7].

L'électrode de grille est chargée pour produire un champ électrique qui contrôle la conductivité d'un "canal" entre deux bornes, appelées source et drain. Selon le type de porteur dans le canal, le dispositif peut être un MOSFET à canal n (pour les électrons) ou à canal p (pour les trous). Bien que le MOSFET soit nommé en partie pour sa grille "métallique", les dispositifs modernes utilisent généralement du Silicium polycristallin à la place.

• Diac
• Diode Gunn
• Diode IMPATT
• Diode Laser
• Diode électroluminécente (LED)
• Photodétecteur
• Photodiode
• Diode PIN
• Diode Schottky
• Cellule photovoltaïque
• Diode Transil
• Diode Tunnel
• Diode laser à cavité verticale émettant par la surface
• Diode Zener

• Transistor bipolaire
• Transistor Darlington
• Transistor à effet de champ
• Transistor bipolaire à grille isolée (IGBT)
• redresseur commandé au silicium
• Thyristor
• TRIAC
• Transistor unijonction

• Capteur à effet Hall
• Photocoupleur

Les semi-conducteurs étaient utilisés dans le domaine de l'électronique depuis un certain temps avant l'invention du transistor. Au début du 20e siècle, ils étaient assez répandus comme détecteurs dans les radios, utilisés dans un dispositif appelé "cat's whisker" développé par Jagadish Chandra Bose et d'autres[16]. Ces détecteurs étaient cependant quelque peu gênants : l'opérateur devait déplacer un petit filament de tungstène (le whisker) à la surface d'un cristal de galène (sulfure de plomb) ou de carborundum (carbure de silicium) jusqu'à ce qu'il se mette soudainement à fonctionner[17]. Puis, sur une période de quelques heures ou de quelques jours, le cat's whisker cessait lentement de fonctionner et le processus devait être répété. À l'époque, leur fonctionnement était totalement mystérieux. Après l'introduction des radios à tubes à vide, plus fiables et amplifiées, les systèmes à cat's whisker ont rapidement disparu. Le "cat's whisker" est un exemple primitif d'un type spécial de diode encore populaire aujourd'hui, appelée diode Schottky.

Un autre type précoce de dispositif semi-conducteur est le redresseur métallique dans lequel le semi-conducteur est de l'oxyde de cuivre ou du sélénium. Westinghouse Electric (1886) était l'un des principaux fabricants de ces redresseurs.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, la recherche sur les radars a rapidement poussé les récepteurs radar à fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées et les récepteurs radio traditionnels à tubes ne fonctionnaient plus bien. L'introduction du magnétron de Grande-Bretagne aux États-Unis en 1940, lors de la mission Tizard, a entraîné un besoin urgent d'un amplificateur haute fréquence pratique[18].

réplique du premier transistor

Les travaux du Bell Lab sur le transistor sont nés des efforts déployés pendant la guerre pour produire des diodes mélangeuses à "cristal" de germanium extrêmement pur, utilisées dans les unités radar comme élément mélangeur de fréquence dans les récepteurs radar à micro-ondes. Les chercheurs britanniques avaient produit des modèles utilisant un filament de tungstène sur un disque de germanium, mais ils étaient difficiles à fabriquer et pas particulièrement robustes[19].

Brattain et H. R. Moore firent une démonstration à plusieurs de leurs collègues et directeurs aux Bell Labs dans l'après-midi du 23 décembre 1947, souvent donné comme la date de naissance du transistor. Le "transistor PNP à contact ponctuel au germanium" fonctionnait comme un amplificateur vocal avec un gain de puissance de 18 lors de cet essai. En 1956, John Bardeen, Walter Houser Brattain et William Bradford Shockley ont reçu le prix Nobel de physique "pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et leur découverte de l'effet transistor"[20].

Dans les années 1950, Mohamed Atalla a étudié les propriétés de surface des semi-conducteurs en silicium aux Bell Labs, où il a proposé une nouvelle méthode de fabrication de dispositifs à semi-conducteurs, en recouvrant une tranche de silicium d'une couche isolante d'oxyde de silicium afin que l'électricité puisse pénétrer de manière fiable dans le silicium conducteur situé en dessous, en surmontant les états de surface qui empêchaient l'électricité d'atteindre la couche semi-conductrice. C'est ce qu'on appelle la passivation de surface, une méthode qui est devenue essentielle pour l'industrie des semi-conducteurs car elle a permis la production en masse de circuits intégrés en silicium. En s'appuyant sur sa méthode de passivation de surface, il a mis au point le procédé de semi-conducteur à oxyde métallique (MOS), qui, selon lui, pouvait être utilisé pour fabriquer le premier transistor à effet de champ (FET) en silicium[21] - [22]. Cela a conduit à l'invention du MOSFET (transistor à effet de champ MOS) par Mohamed Atalla et Dawon Kahng en 1959[23] - [24]. Grâce à son adaptabilité[25], à sa consommation d'énergie beaucoup plus faible et à sa densité plus élevée que les transistors à jonction bipolaire[26], le MOSFET est devenu le type de transistor le plus courant dans les ordinateurs, l'électronique et technologies de l'information et de la communication tels que les smartphones. Le US Patent and Trademark Office qualifie le MOSFET comme une "invention révolutionnaire qui a transformé la vie et la culture dans le monde entier"[27].

Le CMOS a été inventé par Chih-Tang Sah et Frank Wanlass chez Fairchild Semiconductor en 1963[28] Le premier rapport sur un MOSFET à grille flottante a été réalisé par Dawon Kahng et Simon Sze en 1967[29]. FinFET (fin field-effect transistor), un type de MOSFET 3D à portes multiples, a été mis au point par Digh Hisamoto et son équipe de chercheurs à Hitachi Central Research Laboratory en 1989[30] - [31].