Étapes clés de l'évolution du transistor

Spencer Chin | 09 décembre 2022

Le premier transistor a fait l'objet d'une démonstration réussie aux laboratoires Bell à Murray Hill, dans le New Jersey, en 1947. Cet appareil à trois bornes a donné naissance à de nombreux appareils électroniques qui rendent possibles de nombreux produits que nous tenons pour acquis aujourd'hui. Du transistor sont nés les MOSFET dans ses diverses incarnations, les circuits intégrés et les microprocesseurs.

Alors que les premiers transistors produisaient d'humbles inventions telles que les radios à transistors, les améliorations ultérieures de la technologie des transistors produisirent plus tard des calculatrices, des ordinateurs personnels et des appareils électroniques de puissance.

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Ce qui suit est un résumé des développements les plus significatifs de la riche histoire du transistor. Design News remercie Wikipedia pour les informations contenues dans cette histoire.

Selon Wikipédia, le premier brevet pour le transistor à effet de champ a été déposé par le physicien austro-hongrois Julius Edgar Lilienfield le 25 octobre 1925, mais comme il n'a publié aucun article de recherche sur ses appareils, son travail a été ignoré par l'industrie.

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Les efforts de développement de transistors de Bell Lab découlaient des efforts du temps de guerre pour produire des diodes mélangeuses à cristal de germanium très pur, utilisées dans les unités radar comme élément mélangeur de fréquence dans les récepteurs radar micro-ondes. Après la Seconde Guerre mondiale, les scientifiques de Bell John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain ont commencé à travailler sur un dispositif semi-conducteur de type triode. L'astuce s'est avérée produire un flux d'électrons constant entre l'émetteur et le collecteur de l'appareil, ce qui a été rendu possible en plaçant les fils de l'émetteur et du collecteur très proches l'un de l'autre avec le fil de commande à la base du cristal.

Un étudiant diplômé de l'Université Purdue, qui a rejoint l'effort de recherche, a noté que lorsqu'il était appliqué, il n'y avait pas de résistance, ce qui a donné naissance à l'idée de l'injection de porteurs minoritaires.

Forts de ces connaissances, les scientifiques de Bell ont traversé plusieurs démarrages et arrêts avant de finalement construire le premier transistor fonctionnel le 16 décembre 1947. Le transistor à contact ponctuel comporte deux contacts en or étroitement espacés reliés par un petit morceau de germanium.

Barden, Shockley et Brattain ont remporté un prix Noble de physique pour leurs efforts.

Les scientifiques de Bell (de gauche à droite) John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, qui ont inventé le transistor en 1947.

Alors que le premier transistor utilisait du germanium, ce matériau n'était pas une solution pratique à long terme en raison de sa plage de température de fonctionnement limitée et des difficultés de purification du composé. Une équipe des Bell Labs dirigée par Morris Tanenbaum a développé le premier transistor au silicium fonctionnel le 16 janvier 1954. Un dispositif similaire a été développé par Gordon Teal de Texas Instruments quelques mois plus tard.

En 1955, les scientifiques du Bell Lab ont découvert l'effet passivant de l'oxydation sur la surface du semi-conducteur. La méthode de passivation de surface est une étape clé pour les transistors car elle a ensuite rendu possible la production de masse de circuits intégrés.

La démonstration réussie de la passivation par l'oxyde de silicium d'une surface de silicium, d'abord par Mohamed Atalla des Bell Labs et Jean Hoerni de Fairchild a conduit au processus planaire, qui a rendu possible la production de masse de circuits intégrés en silicium.

Toujours en 1959, le premier MOSFET a été produit. Le transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET) a été inventé par Atalla et Dawon Kahng aux Bell Labs. Ils ont fabriqué le dispositif en novembre 1959 et l'ont présenté comme le "dispositif de surface induit par champ silicium-dioxyde de silicium" au début des années 1960. Avec sa grande évolutivité, sa consommation d'énergie beaucoup plus faible et sa densité plus élevée que les transistors à jonction bipolaire, le MOSFET a permis de construire des circuits intégrés (CI) haute densité permettant l'intégration de plus de 10 000 transistors dans un seul CI.

Comparés aux transistors bipolaires, les MOSFET ne consomment aucun courant sauf lors de la commutation d'états et ils ont une vitesse de commutation plus rapide.

Le développement du MOSFET en 1959 a été une étape clé dans l'évolution du transistor.

Le CMOS (MOS complémentaire) a été inventé par Chih-Tang Sah et Frank Wanlass chez Fairchild Semiconductor, et en février 1963, ils ont publié l'invention dans un document de recherche.La technologie CMOS s'avérerait essentielle dans le développement de circuits intégrés (CI), y compris les microprocesseurs, les microcontrôleurs et les puces de mémoire.

Le premier rapport d'un FGMOS a été réalisé par Dawon Kahng et Simon Min Sze de Bell Labs et date de 1967. Le MOSFET à grille flottante (FGMOS), également connu sous le nom de transistor MOS à grille flottante ou transistor à grille flottante, est un type de transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET) où la grille est isolée électriquement, créant un nœud flottant en courant continu, et un certain nombre de grilles secondaires ou d'entrées sont déposées au-dessus de la grille flottante (FG) et sont électriques. totalement isolé de celui-ci. Ces entrées ne sont connectées que de manière capacitive au FG.

Les applications initiales de FGMOS étaient la mémoire numérique à semi-conducteurs, pour stocker des données non volatiles dans EPROM, EEPROM et mémoire flash.

Le transistor MOSFET à grille auto-alignée (grille de silicium) a été inventé par Robert Kerwin, Donald Klein et John Sarace aux Bell Labs en 1967. Les chercheurs de Fairchild Semiconductor Federico Faggin et Tom Klein ont ensuite utilisé des MOSFET à grille auto-alignée pour développer le premier circuit intégré MOS à grille de silicium.

Le mode de fonctionnement de base IGBT, où un transistor PNP est piloté par un MOSFET, a été proposé pour la première fois par K. Yamagami et Y. Akagiri de Mitsubishi Electric dans le brevet japonais S47-21739, déposé en 1968.

Suite à la commercialisation des MOSFET de puissance dans les années 1970, B. Jayant Baliga a soumis une divulgation de brevet à General Electric (GE) en 1977 décrivant un dispositif à semi-conducteur de puissance avec le mode de fonctionnement IGBT, y compris le déclenchement MOS des thyristors, une structure VMOS (V-groove MOSFET) à quatre couches et l'utilisation de structures à déclenchement MOS pour contrôler un dispositif à semi-conducteur à quatre couches. Il a commencé à fabriquer le dispositif IGBT avec l'aide de Margaret Lazeri chez GE en 1978 et a terminé avec succès le projet en 1979. Les résultats des expériences ont été rapportés en 1979.

La structure du dispositif a été appelée "dispositif MOSFET à rainure en V avec la région de drain remplacée par une région d'anode de type p" dans cet article, puis "le redresseur à grille isolée" (IGR), le transistor à grille isolée (IGT), le transistor à effet de champ à modulation de conductivité (COMFET) et "MOSFET en mode bipolaire".

L'IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) a été développé à la fin des années 1970.

Un transistor à effet de champ à ailettes (FinFET) est un dispositif multi-portes, un MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur) construit sur un substrat où la porte est placée sur deux, trois ou quatre côtés du canal ou enroulée autour du canal, formant une structure à double ou même multi-portes. Ces dispositifs ont reçu le nom générique de "FinFET" car la région source/drain forme des ailettes sur la surface du silicium. Par rapport aux dispositifs CMOS, les dispositifs FinFET ont des temps de commutation nettement plus rapides et une densité de courant plus élevée.

Le premier type de transistor FinFET s'appelait un transistor "Depleted Lean-channel Transistor" ou "DELTA", qui a été fabriqué pour la première fois au Japon par Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto et Eiji Takeda du Hitachi Central Research Laboratory en 1989.

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