transistor

66]Électronique
© Pour la Science - n° 387 - Janvier 2010
«
L
a lumière, non l’électricité, est la
clef des nouveaux ordinateurs»,
titrait le New York Times du
22 octobre 1985. Cinq ans plus tard, le
30 janvier 1990, après l’annonce par
AT & T
d’un premier ordinateur optique, le Wall
Street Journal titrait pour sa part «Les cal-
culateurs optiques, idée d’avenir ou idée
folle ? » Vingt ans plus tard, il est clair
que le système envisagé par
AT & T , qui du
reste n’avait pas les performances des cal-
culateurs électroniques usuels de l’époque,
est aussi le dernier effort industriel sérieux
sur l’ordinateur optique.
Les chercheurs avaient au moins une
bonne raison de s’intéresser à de tels sys-
tèmes: les photons vont plus vite que les
électrons! Toutefois, il reste tout à fait
improbable que des dispositifs optiques
remplacent les transistors dans le pro-
cessus de calcul lui-même. Pourquoi?
Nous allons essayer de répondre à cette
question en examinant ce qu’est un tran-
sistor et comment on a tenté, à plusieurs
reprises et sans succès, de le remplacer.
Qu’ils soient électroniques, optiques
ou autres, tous les calculateurs sont
construits en connectant des circuits élé-
mentaires. Leur assemblage nécessite des
millions de composants de base qui, puis-
qu’ils sont si nombreux, doivent être pro-
duits à bas coût et avec fiabilité – il est hors
de question de les tester tous un par un...
L’élément de base de l’ordinateur
moderne est un circuit intégré, ou puce élec-
tronique. C’est un circuit associant dans un
volume très petit plusieurs composants
électroniques élémentaires, dont un nombre
colossal de transistors. Ces circuits intégrés
sont façonnés à la surface d’une galette de
silicium de 30 centimètres de diamètre. Au
terme d’une longue série d’opérations (pho-
togravure, traitements chimiques ou ther-
miques des surfaces, etc.), on obtient une
galette de plusieurs centaines de puces.
Des puces variables
Les puces ainsi fabriquées à partir d’une
galette de silicium sont en théorie toutes
identiques. En pratique, ce n’est pas le
cas. Au sein des chambres de réaction, les
conditions locales varient inévitablement,
d’où des différences plus ou moins
grandes entre les circuits produits. En
outre, les cycles d’échauffement et de
refroidissement ainsi que les courants élec-
triques intenses subis par une puce pen-
dant son utilisation peuvent aussi, à la
longue, la modifier. Les circuits de cal-
cul doivent donc pouvoir fonctionner cor-
rectement malgré des différences entre
leurs composants, qui ne sont identiques
que nominalement…
La stratégie adoptée pour obtenir cette
robustesse est bien connue: la numérisa-
tion des processus de calcul. Les humains
utilisent l’information sous forme numé-
rique depuis des temps immémoriaux, par
exemple en pratiquant des encoches sur
un bâton ou à l’aide de bouliers. Les
ordinateurs opèrent sur des chiffres
binaires, c’est-à-dire 0 et 1. Autrement dit,
le «boulier de base» du circuit de calcul,
ce que l’on nomme un «bit », ne comporte
que deux positions.
Électronique
Robert Keyes
Discipline (sous-thème)
L’ESSENTIEL
Les transistors jouent
le rôle de commutateurs
dans les circuits
électroniques. Ils sont
au cœur des technologies
numériques.
On a souvent tenté
de remplacer
les transistors par
des commutateurs
plus rapides.
Ces tentatives ont
échoué: aucun autre
composant ne peut
à ce jour fournir
de signal aussi stable
et reproductible.
L’irremplaçable
1
t
q
g
c
Alcatel-Lucent USA, Inc.
Depuis 60 ans, les transistors sont les composants de base
des circuits électroniques. La taille de ces dispositifs,
les matériaux utilisés, les procédés de fabrication
ont changé, mais le transistor demeure incontournable.
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Électronique [67
Les deux valeurs possibles d’un bit,
0 ou 1, peuvent être aussi notées vrai ou
faux, ouvert ou fermé. Le calcul accompli
par le circuit consiste à modifier des tables
de 0 et 1 en exécutant des séries d’opéra-
tions qui effectuent des transformations
de base: les fonctions logiques. Ces outils
du calcul binaire comprennent par
exemple des opérations telles que «
ET »et
«
NON - OU »( NOR ). Ainsi, la fonction ET
donne un 1 en sortie si et seulement si
ses deux entrées sont égales à 1; la fonc-
tion
NON - OU ne donne un 1 que si ses deux
entrées sont égales à 0. Les résultats
binaires peuvent ensuite être traduits sous
la forme de nombres décimaux ou de
caractères alphabétiques.
Les fonctions logiques sont réalisées
en électronique par des «portes» logiques.
Ces sous-circuits combinent plusieurs
composants capables, en fonction du
signal d’entrée (un 0 ou un 1), de le redi-
riger sur une sortie bien déterminée (0
ou 1): c’est ce que l’on nomme un com-
mutateur. Au sein d’un ordinateur élec-
tronique, les signaux de base (0 ou 1)
consistent en deux tensions, dont les
valeurs sont censées être les mêmes dans
toute la machine. Le résultat de toute opé-
ration logique sert à actionner un com-
mutateur qui soumet le circuit logique
suivant à l’une des deux tensions stan-
dards. Ainsi, le signal transmis ne dépend
pas des caractéristiques du circuit ayant
activé le commutateur.
Cet aspect est essentiel: même si le signal
déclenchant la commutation est un peu
altéré, l’information numérique transmise
transistor
1. LE PREMIER TRANSISTOR fut créé en 1947 par John Bardeen et Walter Brattain des Laboratoires de
téléphonie Bell (ci-dessus, une réplique). Il mesurait un peu plus d’un centimètre de haut, et n’était connecté
que par un seul point. Les transistors ont depuis beaucoup évolué et ont été miniaturisés à l’extrême
grâce à une constante amélioration des méthodes de fabrication. Il n’existe pas à ce jour de composants
capables de concurrencer ces commutateurs électroniques.
Alcatel-Lucent USA, Inc.
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(0 ou 1) est intacte. Dans les ordinateurs élec-
troniques, le composant jouant le rôle de
commutateur est le transistor, un compo-
sant qui n’a que deux états – «allumé» et
« éteint » – correspondant aux données
numériques 0 ou 1 à transmettre. Il se
comporte donc comme un interrupteur.
Du tube à vide
au transistor
Le transistor est un descendant du relais
électromécanique, dispositif consistant en
un petit levier destiné à établir le contact
électrique commandé par un électro-
aimant. De fait, les premières machines à
calculer électriques utilisaient comme com-
mutateurs des relais électromécaniques.
Elles fonctionnaient, mais le caractère
mécanique de leurs composants était sou-
vent à l’origine de pannes. Il arrivait par
exemple que les contacts électriques soient
interrompus par leur encrassement.
Au début de l’électronique, il y a envi-
ron un siècle, on a remplacé ces relais par
des tubes à vide, cylindres de verre vidés
de leur air contenant à une extrémité un
filament et à l’autre une plaque. Par-
couru par un courant, le filament chauf-
fait et émettait des électrons qu’une tension
électrique attirait vers la plaque. Une grille,
c’est-à-dire un petit ensemble plan de zig-
zags de fil interposé entre le filament et
la plaque permettait de contrôler le mou-
vement des électrons. Chargée positive-
ment, elle facilitait le passage des électrons
du filament à la plaque; chargée négati-
vement, elle repoussait les électrons, empê-
chant ainsi leur passage.
On a ainsi obtenu un système à deux
niveaux bien distincts de signal, qui pou-
vait servir à la réalisation de portes
logiques. L’emploi de tubes à vide a pro-
duit des calculateurs beaucoup plus rapides
que ne le permettaient les relais méca-
niques. Le principal inconvénient était le
chauffage des filaments, qui consommait
une grande puissance électrique. Des ordi-
nateurs à tubes à vide tels que le Colossus,
en Grande-Bretagne, et l’
ENIAC , aux États-
Unis, ont démontré les premiers l’utilité
des gros calculateurs. Les ordinateurs du
système de défense aérienne
SAGE , par
exemple, contenaient chacun 55000 tubes
à vide et consommaient trois mégawatts
d’électricité. Les ordinateurs à tubes à vide
sont à l’origine de la première industrie
informatique digne de ce nom, et de ses
premières machines commerciales tels
l’
UNIVAC de Sperry-Rand ou la série des
IBM 700 au début des années 1950.
Toutefois, l’activité de cette jeune indus-
trie a été révolutionnée par l’arrivée en 1947
des transistors, des commutateurs à semi-
conducteur. Leur petite taille, leur faible
consommation et leur grande fiabilité les
ont très vite fait adopter par l’industrie.
Leurs caractéristiques permettaient d’en
assembler un grand nombre pour former
un système unique. L’
IBM 7030 de 1961, par
exemple, en contenait déjà 17 000.
Comment est fait un transistor? Ce
composant est fabriqué à partir de semi-
conducteurs, matériaux qui, comme leur
nom l’indique, conduisent l’électricité dans
certaines conditions et pas dans d’autres.
Cette propriété est utile pour obtenir un
commutateur ayant un état «allumé» et
un autre «éteint».
La structure des bandes d’énergies
électroniques au sein d’un semi-conduc-
teur est telle que le courant s’y propage
soit sous la forme d’électrons, soit sous
forme de «trous», c’est-à-dire d’absences
d’électrons dans la mer électronique. Tan-
dis que la circulation d’électrons corres-
pond à celle de charges négatives, un
courant de trous correspond au mouve-
ment de charges positives. Les électrons
et les trous sont donnés par un dopant, un
élément ajouté au semi-conducteur en
faibles quantités. Selon son type de dopant,
le semi-conducteur conduira majoritai-
rement soit des électrons, soit des trous,
c’est-à-dire qu’il sera soit de «type n» (pour
négatif), soit de type p(pour positif).
Il faut à la fois des matériaux de type n
et de type ppour qu’un transistor fonc-
tionne. Le premier type de transistor com-
mercial, nommé transistor bipolaire,
utilisait une couche d’un type de semi-
3. CETTE GAMME DE TRANSISTORS INDUSTRIELS est produite pour des applications spéci-
fiques où ces composants sont utilisés à l’unité. Mais les transistors sont surtout employés en
grand nombre pour les circuits intégrés.
2. LE TRANSISTOR ET LE TUBE À VIDE (res-
pectivement à gauche et à droite) jouent le même
rôle, mais le premier est plus fiable, consomme
moins d’énergie et, comme l’illustre ce modèle
ancien, est beaucoup plus petit.
mikroElektronika Leonard Lessin/Peter Arnold Inc.
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Électronique [69
conducteur entre deux couches d’un
autre, créant deux jonctions de type
n/p. Un courant appliqué à la couche cen-
trale par un mince fil, appelé électrode
de grille, contrôle le passage du courant
à travers le transistor.
Son successeur, le transistor à effet
de champ (
FET pour field-effect transistor)
est celui utilisé aujourd’hui dans les ordi-
nateurs. Un transistor à effet de champ
est constitué d’un canal conduisant ou ne
conduisant pas le courant en fonction de
l’action d’un champ électrique sur un canal
fait d’un semi-conducteur de type p(ou n)
noyé dans un substrat de type n(ou p)
(voir l’encadré page 70). La porte, c’est-à-
dire l’électrode de contrôle, est séparée
du centre du canal par une mince couche
d’isolant. Le courant d’électrons passe de
l’électrode source au fil servant à drai-
ner le courant (le drain) à travers le tran-
sistor en fonction de la charge électrique
de la porte. Une porte chargée positive-
ment, par exemple, attire les électrons à
la surface du canal, créant dans le semi-
conducteur un canal de conduction où
passe le courant.
Le circuit intégré,
une révolution
Les premiers transistors commerciaux
étaient difficiles d’emploi, car ils devaient
être câblés individuellement. L’inven-
tion du circuit intégré en 1960 a déclenché
une nouvelle révolution dans l’industrie
informatique. Elle a rendu possible la fabri-
cation de la puce électronique, c’est-à-dire
la création et l’interconnexion de très nom-
breux transistors sur une très petite sur-
face de silicium, ce qui a énormément
réduit le coût à l’unité des transistors.
Les progrès rapides et réguliers dans
l’intégration de toujours plus de transis-
tors ont donné lieu à la célèbre «loi de
Moore». En 1965, l’Américain Gordon
Moore remarqua que le nombre de com-
posants présents dans un circuit intégré
doublait chaque année. Cette croissance
rapide a rendu possibles les ordinateurs
puissants et bon marché d’aujourd’hui.
Une puce actuelle peut contenir environ
un milliard de transistors…
La densification des puces est d’abord
due aux progrès de la miniaturisation. Le
coût de traitement d’une galette de sili-
cium dépend en effet très peu des struc-
tures créées, mais beaucoup du nombre
de galettes traitées simultanément. Ainsi,
l’augmentation du nombre de circuits
intégrés produits par unité de surface
de silicium a fait rapidement chuter le
coût de chaque unité. Cette logique a
conduit G. Moore à une autre observa-
tion remarquable: le coût de l’unité de
surface de circuit intégré est constant et
vaut près de 2,5 milliards de dollars par
hectare. Le coût à l’unité d’un transistor
est ainsi d’environ 0,002 centime, soit dix
fois moins que celui d’une agrafe pour
feuilles de papier…
Dès que, dans les années 1970, on sut
créer des milliers de transistors sur une
même puce, le microprocesseur, c’est-à-
dire un «ordinateur sur puce», fut inventé.
Il devint alors possible d’incorporer de
petits ordinateurs de bord, capables d’exé-
cuter des programmes, dans les moteurs
automobiles, les lave-linge, les montres,
les cartes à puce, etc.
On peut constater tous les jours
l’énorme impact de la miniaturisation, de
l’intégration et du faible coût de l’électro-
nique intégrée. La qualité de vie d’un grand
nombre de personnes s’est améliorée grâce,
par exemple, aux appareils auditifs. L’uti-
lisation des cartes de paiement n’est pos-
sible que parce que des circuits intégrés
valident les transactions en temps réel, et
il va sans dire que les ordinateurs et télé-
phones portables, les systèmes de géolo-
calisation, les baladeurs, etc., comportent
tous des microprocesseurs.
Ce succès industriel sans précédent
n’empêche pas que l’on cherche à rem-
placer les transistors par d’autres types de
commutateurs qui seraient plus efficaces
encore. Cette quête se poursuit, mais, mal-
gré certains avantages obtenus en labo-
ratoire, aucune solution alternative n’a
pour l’instant convaincu.
Inventée une dizaine d’années après
l’avènement du transistor, la diode à effet
tunnel a par exemple l’avantage de fonc-
tionner à des fréquences plus élevées que
le transistor. On a donc vite pensé pou-
voir l’employer pour augmenter la vitesse
des portes logiques. Dans ce type de diode,
des dopants de type pet de type nsont en
quantités importantes de part et d’autre
d’une jonction p-n, ce qui y multiplie les
électrons et les trous. Soumis à une certaine
tension, ces derniers sont susceptibles de
traverser la barrière par effet tunnel, un
phénomène quantique. En effet, lorsque
la diode est utilisée, une plage de tension
est atteinte au sein de laquelle l’effet tun-
nel se produit. Une augmentation de la ten-
sion produit alors une diminution du
courant: tout se passe comme si la diode
avait une résistance négative.
Il n’est pas difficile de construire à
partir d’un tel élément un circuit bistable,
c’est-à-dire ne pouvant se trouver que dans
deux états. Quand un tel circuit bistable est
connecté à une source d’électricité, il évo-
lue spontanément de façon à adopter une
valeur soit haute, soit basse de la tension.
Deux tensions seulement sont possibles.
On a souvent suggéré d’utiliser les
deux états stables des circuits à résistance
4. DES CENTAINES DE CIRCUITS INTÉGRÉS ont été gravés sur une galette de silicium de la taille
d’une assiette. Chaque circuit intégré peut contenir près de un milliard de transistors.
IBM
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négative pour représenter les 0 et les 1 des
calculs binaires. La mise en place de portes
logiques nécessiterait que les états de deux
circuits bistables ou plus contrôlent l’état
d’un troisième. Des essais en laboratoire
ont fait apparaître que de très petites diodes
à effet tunnel peuvent porter un courant
suffisant pour charger rapidement la capa-
cité d’un autre circuit à diode tunnel.
Ces résultats ont incité des gouverne-
ments et de grandes entreprises à soute-
nir des grands projets de développement
d’ordinateurs à circuits bistables plus
rapides que les ordinateurs à transistors.
Cependant, on n’a pas trouvé le moyen
de produire dans le circuit un signal numé-
rique véritablement standard. En parti-
culier, il s’est révélé difficile de reproduire
précisément la caractéristique courant-ten-
sion d’un circuit à l’autre. C’est pourquoi
les tentatives d’emploi de diodes à effet
tunnel dans les circuits logiques ont été
abandonnées après 1966. Divers projets
utilisant d’autres dispositifs à résistance
négative ont connu le même sort.
Dans les années 1970, le développe-
ment de portes logiques à partir de circuits
bistables utilisant des jonctions Josephson
a suscité beaucoup d’attention. Les jonc-
tions Josephson sont des sandwichs où
une mince tranche de matériau non supra-
conducteur est comprise entre deux
couches de supraconducteur. Au-dessous
d’une certaine température critique, en
général proche du zéro absolu, un maté-
riau supraconducteur perd toute résis-
tance électrique. Ainsi, une jonction
Josephson peut se trouver dans deux états
de conduction différents: un état résistif
normal ou un état à résistance nulle.
En outre, l’état d’une jonction Joseph-
son peut être influencé par un champ
magnétique produit par le courant pas-
sant dans un fil contrôlé par une autre
jonction Josephson. Ces interactions don-
naient une souplesse considérable dans
la conception de circuits bistables. La pos-
sibilité d’une commutation de données
très rapide a ainsi été mise en évidence,
ce qui a encouragé des projets de déve-
loppement massif. On a ainsi obtenu des
détecteurs sensibles à de minuscules ten-
sions et champs magnétiques.
Pas de remplaçants
en vue
Cependant, une fois de plus, le contrôle
précis des circuits nécessaires pour obte-
nir un signal numérique standard n’a pu
être obtenu. Au début des années 1980,
la désillusion s’est installée et l’idée
d’ordinateurs à jonctions Josephson a
été abandonnée.
Le calcul quantique constitue depuis
une quinzaine d’années une autre straté-
gie pour obtenir des calculateurs plus
rapides. Les calculs quantiques ont l’avan-
tage de faciliter l’attaque de problèmes
ardus tels que la factorisation de grands
nombres, qui est hors de portée des plus
grands ordinateurs classiques. Les calculs
quantiques exploiteraient par exemple les
propriétés du spin de l’électron, une gran-
deur associée à son moment magnétique
intrinsèque (son aimantation). La mesure
du spin électronique selon une direction ne
donne que deux résultats possibles, qui
peuvent faire office de bit, car on sait «pola-
riser» les électrons dans l’un ou l’autre état.
En pratique, cependant, le contrôle du
spin des électrons consomme beaucoup
d’énergie, les états de spin se modifient
très vite au cours du temps et ils sont dif-
ficiles à mesurer.
Ces dernières années, plusieurs
équipes ont essayé d’utiliser de minus-
cules commutateurs de type levier pour
remplacer les transistors. Dans l’une des
approches, explorée chez Hewlett-Packard,
des nanosystèmes électromécaniques,
c’est-à-dire des dispositifs d’échelle nano-
métrique gravés dans le silicium conçus
pour exécuter un mouvement de bas-
cule, sont employés.
Dans une autre approche, tentée à
l’Université de Cambridge, des nanotubes
de carbone, à savoir des cylindres creux
en carbone de un à deux nanomètres de
diamètre et d’une épaisseur atomique, sont
courbés d’avant en arrière pour servir de
contacteur électrique. On voit qu’il s’agit
A RCHITECTURE ET FONCTIONNEMENT D ’ UN TRANSISTOR
Le premier type de transistor commercialisé était le transistor
bipolaire. Il est constitué d’un émetteur d’électrons constitué
d’un semi-conducteur dopé p(conduisant les trous) séparé
d’une électrode de collecte en semi-conducteur dopé ppar une
couche de semi-conducteur dopé n(conduisant les électrons).
Le passage des électrons de l’émetteur vers le collecteur est
contrôlé par un petit courant émis par l’électrode de base.
Un transistor à effet de champ, ce que l’on trouve
généralement dans les ordinateurs, n’utilise qu’une jonction
entre un semi-conducteur dopé de type net un autre de
type p. La porte, l’électrode de contrôle, est isolée du semi-
conducteur par une mince couche d’oxyde. Un courant issu
de la grille crée un canal de conduction dans le matériau
de type pqui relie les électrodes de source et de drain.
Base
Émetteur
Dopage
de type p
Collecteur
Source Porte
Drain
Russell House
Dopage
de type p
Dopage
de type n
Dopage
de type n
Dopage
de type p
Oxyde
Dopage
de type n
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