L'incroyable transistor rétractable

Aux laboratoires Bell Telephone le 16 décembre 1947, les physiciens John Bardeen et Walter Brattain ont attaché trois contacts métalliques fragiles à un mince ruban de l'élément germanium, ont appliqué un signal électrique et ont découvert que le signal sortant de leur appareil était presque cent fois plus fort. que celui qui est entré. Dévoilé une semaine plus tard aux dirigeants de Bell Labs, le nouvel amplificateur à semi-conducteurs - bientôt surnommé un transistor - était un magnifique cadeau de Noël, selon les mots du chef du groupe de recherche William Shockley, qui a conçu seulement un mois plus tard une version améliorée qui s'est finalement avérée beaucoup plus facile à fabriquer.

Cinquante ans plus tard, les transistors ont tellement rétréci qu'ils sont désormais invisibles à l'œil nu. Pourtant, en tant qu'ingrédients cruciaux de chaque micropuce, agissant comme des pompes et des valves microscopiques qui régulent le flux de courant électrique, ces minuscules dispositifs continuent d'avoir un impact considérable sur presque tous les aspects de la vie moderne.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 1997

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Il était évident à l'époque que l'engin encombrant de Bardeen et Brattain représentait une percée dans l'électronique. Mais ses inventeurs le considéraient principalement comme un remplacement des tubes à vide, qui étaient utilisés comme amplificateurs et commutateurs dans les équipements téléphoniques, les radios et la plupart des autres appareils électroniques. Shockley avait peut-être la meilleure intuition de ce qui allait arriver. Il y a eu récemment beaucoup de réflexions sur les cerveaux électroniques ou les machines informatiques, spéculait-il en décembre 1949. Il me semble que dans ces cerveaux de robots, le transistor est la cellule nerveuse idéale.

Le processus physique découvert par Bardeen, Brattain et Shockley est désormais au cœur d'une industrie électronique qui génère des ventes mondiales de plus de 1 000 milliards de dollars par an. La plus grande valeur du transistor est qu'il peut être si radicalement miniaturisé : ses principes de fonctionnement fondamentaux sont restés essentiellement inchangés alors que ses dimensions linéaires ont été réduites de plus de 10 000 fois. En revanche, les tubes à vide n'avaient absolument aucune perspective pour le genre de miniaturisation étonnante qui s'est produite dans les dispositifs à semi-conducteurs. Et les autres problèmes des tubes - ils étaient instables, brûlaient trop souvent, généraient trop de chaleur et consommaient trop d'énergie - se sont avérés complètement insurmontables.

Les premiers transistors mesuraient typiquement un centimètre de long ; à la fin des années 1950, ils étaient mesurés en millimètres. Avec l'invention du circuit intégré en 1958, le décor était planté pour un défilé constant d'autres innovations qui réduisaient la taille des transistors à des niveaux submicroniques, moins d'un millionième de mètre. Aujourd'hui, le transistor n'est guère plus qu'un principe physique abstrait imprimé d'innombrables fois sur d'étroits éclats de silicium, des millions d'ondulations microscopiques sur une mer de cristal scintillante. Comme l'a récemment noté le cofondateur d'Intel, Gordon Moore, il y a plus de transistors fabriqués chaque année que de gouttes de pluie tombant sur la Californie, et en produire un coûte moins cher que d'imprimer un seul caractère dans un journal.

La synergie entre un nouveau composant et une nouvelle application a généré une croissance explosive des deux, a observé le partenaire de longue date de Moore, Robert Noyce, en réfléchissant à la façon dont le transistor et l'ordinateur ont grandi ensemble. Il a fait ce commentaire en 1977, quelques années avant que l'ordinateur personnel ne commence à stimuler une autre explosion commerciale basée sur les semi-conducteurs. Plus que tout autre facteur, le rétrécissement fantastique du transistor à la fois en taille et en coût est ce qui a permis à la personne moyenne de posséder et d'exploiter un ordinateur bien plus puissant que tout ce que les forces armées ou les grandes entreprises pouvaient se permettre il y a quelques décennies. Si nous avions plutôt dû nous appuyer sur des tubes à vide, par exemple, la puissance de calcul d'une puce Pentium nécessiterait une machine aussi grosse que le Pentagone.

Et rien que l'année dernière - qui se trouve également être le centenaire de la découverte de l'électron - il y a eu des tentatives réussies pour construire des transistors si petits qu'ils impliquent la transmission d'un seul électron à travers un canal de moins de 10 nanomètres de long. Si cette technologie peut un jour être transférée sur la ligne de production, une nouvelle réduction au centuple de la taille des transistors pourrait être en vue.

Combinaisons rares

La saga de l'invention du transistor aux Bell Labs est une histoire assez connue qui est souvent racontée lorsque des questions se posent sur l'importance de la recherche fondamentale dans le processus d'innovation. L'histoire du développement technologique qui s'ensuivit est beaucoup moins familière. C'est cette rare combinaison de recherche fondamentale et de développement technologique fondamental qui a rendu possibles les transistors et les micropuces modernes. Peu d'épisodes, voire aucun, de l'histoire de l'innovation peuvent se comparer.

Les laboratoires ont combiné une philosophie de recherche pragmatique et axée sur les objectifs avec ce que Shockley a appelé le respect des aspects scientifiques des problèmes pratiques. La recherche était guidée par l'objectif à long terme d'améliorer les composants et les services du système Bell - de meilleurs commutateurs, des signaux plus clairs, etc. Mais dans ce contexte, les scientifiques avaient toute latitude pour effectuer des recherches fondamentales sur les propriétés des matériaux. Des physiciens théoriciens de premier plan ont travaillé côte à côte avec des expérimentateurs de premier plan et certains des meilleurs ingénieurs en développement de dispositifs du pays. L'invention et le développement du transistor illustrent cette interaction entre le pratique et le scientifique qui caractérisait les Bell Labs à son apogée.

Lorsque les idées originales de Shockley pour fabriquer un amplificateur à semi-conducteurs ont échoué, par exemple, Bardeen a proposé une théorie entièrement différente du comportement des semi-conducteurs qu'il a finalement publiée dans la Physical Review. L'approche par effet de champ de Shockley impliquait l'utilisation de champs électriques externes pour induire un excès d'électrons près de la surface de matériaux cristallins tels que le silicium ; avec plus d'électrons qui s'y rassemblent, plus de courant devrait circuler. Ou du moins le pensait-il. Pour expliquer l'absence apparente d'un tel effet, Bardeen a proposé sa théorie des états de surface, dans laquelle les électrons sont piégés à la surface et empêchent les champs électriques de pénétrer. Il s'agissait d'un tout nouveau point de départ qui a réorienté les efforts de recherche du groupe vers la compréhension de ces états gênants. Nous avons abandonné la tentative de fabriquer un appareil d'amplification, a rappelé Shockley, et nous nous sommes concentrés sur de nouvelles expériences liées aux états de surface de Bardeen.

Cependant, lorsque Brattain est tombé sur un moyen grossier de surmonter ce blocage en novembre 1947, l'attention du groupe est revenue presque immédiatement à l'objectif pratique de fabriquer un amplificateur à semi-conducteurs. Un mois plus tard, ils ont inventé le premier transistor, le transistor à contact ponctuel, qui avait deux bandes de feuille d'or collées sur les côtés d'une cale en plastique qui pressait les bords de la feuille dans une plaque de germanium. Bien que ce gadget étrange s'étende sur près d'un pouce, le nouveau processus physique responsable du gain de puissance s'est produit en à peine 2 mils ou 50 microns, soit environ l'épaisseur d'une feuille de papier de germanium entre les pointes métalliques touchant sa surface. Des entités de mécanique quantique chargées positivement connues sous le nom de trous générés sous un point ont ruisselé le long d'une couche de surface jusqu'à l'autre point, réduisant la résistance du matériau sous-jacent et augmentant ainsi le courant qui le traverse.

Sous la direction éclairée de Mervin Kelly et Jack Morton, les Bell Labs ont rapidement commencé à consacrer des ressources au développement de technologies pour rendre les transistors commercialement viables. Il a perfectionné les méthodes de purification du germanium et du silicium et de la croissance de gros cristaux de ces éléments. En quelques années, ces technologies ont permis à Shockley et à ses collègues de réaliser son idée d'un transistor à jonction, qui s'est avéré beaucoup plus fiable que l'appareil étrange de Bardeen et Brattain et se prêtait beaucoup plus facilement à la production de masse. Dans ce type de transistor, des jonctions dites p-n remplacent les contacts ponctuels métal-semi-conducteur ; ces jonctions sont formées entre deux couches dissemblables de matériau semi-conducteur imprégnées d'impuretés différentes pour induire un léger excès d'électrons ou de trous. Cette approche s'est avérée cruciale dans la fabrication des transistors bon marché et fiables qui ont commencé à apparaître dans les appareils électriques tels que les radios et les appareils auditifs au cours des années 1950.

De plus, les laboratoires ont mis ces technologies et d'autres à la disposition des entreprises désireuses de se lancer dans le secteur des semi-conducteurs. En les combinant avec quelques innovations supplémentaires qui leur sont propres, Noyce et Jack Kilby ont inventé le circuit intégré chez Fairchild Semiconductor et Texas Instruments vers la fin de la décennie. Mieux connus aujourd'hui sous le nom de micropuces, qui intègrent désormais des millions de transistors sur un seul ruban de silicium, ces circuits constituent la base de l'industrie des semi-conducteurs actuelle de 150 milliards de dollars. Comme Morton l'a observé, parfois, lorsque vous étalez votre pain sur de l'eau, il revient sous forme de gâteau d'ange.

Évolution ultérieure

Cinquante ans de science et d'ingénierie des matériaux ont réduit les dimensions nécessaires à l'effet transistor au niveau submicronique. Le germanium a été remplacé par le silicium, qui se comporte bien mieux à haute température. La diffusion de couches d'atomes d'impuretés d'une profondeur d'un micron dans le silicium et la formation d'une couche d'oxyde vitreuse protectrice dessus, la photolithographie pour graver des caractéristiques délicates sur la surface du silicium et le dépôt en phase vapeur de contacts métalliques sur cette couche vitreuse ont commencé à permettre la production en série de circuits intégrés contenant de nombreux transistors et autres composants à semi-conducteurs.

Une fois que Bell Labs a finalement maîtrisé les états de surface de Bardeen en 1960, par la formation de la couche d'oxyde dans un environnement soigneusement contrôlé, l'approche originale à effet de champ de Shockley est revenue au premier plan sous la forme des transistors métal-oxyde-semiconducteur (MOS) qui dominent l'industrie aujourd'hui. Ici, un champ électrique est appliqué à travers la couche d'oxyde isolante en chargeant une minuscule bande de métal déposée sur sa surface ; ce champ régit le courant circulant dans le silicium juste en dessous. De petits changements dans la charge électrique sur la bande peuvent avoir un impact énorme sur ce courant, voire même le bloquer complètement.

En 1965, Moore a observé que le nombre de composants individuels sur les circuits intégrés doublait chaque année. Il a extrapolé cette croissance exponentielle pour une autre décennie et est arrivé à une projection étonnante : que les circuits de 1975 contiendraient quelque 65 000 appareils. Désormais inscrite dans la loi de Moore, sa prédiction est restée vraie pendant plus de trois décennies, bien que la période de doublement soit passée à environ 18 mois. Les puces les plus avancées contiennent aujourd'hui des millions de transistors, chacun avec des dimensions typiques inférieures à un demi-micron. Et les techniques de photolithographie basées sur la lumière ultraviolette promettent une réduction supplémentaire de la taille à près d'un dixième de micron, soit 100 nanomètres. Les puces avec des milliards de composants à semi-conducteurs pourraient bientôt devenir une réalité.

Innover aujourd'hui

La leçon cruciale à tirer de l'épisode des transistors est que la recherche fondamentale dans les limites d'une entreprise motivée par le profit a conduit à un point de départ complètement nouveau et d'une valeur phénoménale pour l'électronique. Une interaction étroite entre le pratique et le scientifique a conduit à la découverte et au développement rapide du processus physique d'action des transistors, qui pourrait être si radicalement miniaturisé.

Mais les Bell Labs d'après-guerre étaient une institution unique qui serait très difficile, voire impossible, à reproduire aujourd'hui. Ce que Kelly a décrit comme un institut de technologie créative, il a concentré les énergies intellectuelles d'une demi-douzaine d'éventuels lauréats du prix Nobel sous le toit d'un seul laboratoire industriel dans le New Jersey. Cependant, sa maison mère, AT&T, se trouvait dans une situation très particulière : elle détenait le monopole du service téléphonique sur l'ensemble des États-Unis. Par conséquent, chaque fois que quelqu'un passait un appel téléphonique longue distance, elle payait en fait une taxe de recherche fondamentale et de développement technologique pour soutenir les projets en cours dans les laboratoires. En retour, de nombreux scientifiques et ingénieurs qui y travaillaient se considéraient comme faisant partie d'une ressource nationale qui avait la responsabilité de servir l'intérêt national.

Dans le climat des affaires hautement concurrentiel d'aujourd'hui, la plupart des entreprises ne peuvent pas se permettre des dépenses de recherche et de développement qui n'amélioreront probablement pas leur rentabilité pendant des années. Poussées par les pressions sur les bénéfices et les cycles de production de 18 mois, peu d'entreprises peuvent se permettre de constituer des équipes multidisciplinaires et de leur accorder la grande latitude de recherche que Bell Labs a eue avec son groupe à semi-conducteurs dans les années d'après-guerre. Et rendre leurs nouvelles technologies si gratuites est absolument impensable.

Le gouvernement fédéral essaie d'aider à combler le fossé entre la science et l'industrie en favorisant le transfert de technologie et les programmes de technologie de pointe. Mais ce sont des propositions difficiles, lourdes de problèmes graves et de désaccords politiques. Dans l'environnement de R&D fragmenté d'aujourd'hui, les physiciens des universités de recherche et des laboratoires nationaux continuent de rechercher des supercordes et des leptoquarks imaginaires qui n'ont aucune application pratique concevable ; Pendant ce temps, les ingénieurs des entreprises de semi-conducteurs se concentrent sur le développement de moyens de graver des caractéristiques de plus en plus fines sur le silicium.

En partie à cause de cette malheureuse dichotomie, les innovations ont du mal à atteindre la production. Les percées récentes telles que les nanostructures de fullerène et les supraconducteurs à haute température restent des curiosités de laboratoire ; par rapport au transistor, qui a commencé à apparaître dans les appareils auditifs à peine cinq ans après son invention, ces innovations sont en train de boiter vers la commercialisation. Une solution possible pourrait résider dans les consortiums industriels, tels que Sematech d'Austin, qui visent principalement à développer les pools de nouvelles technologies dont les entreprises participantes ont besoin pour améliorer leurs gammes de produits. Des groupes de recherche fondamentale pourraient être intégrés à de tels consortiums bien financés. De cette façon, ils fonctionneraient au milieu d'un environnement pragmatique qui pourrait également promouvoir le développement fondamental généralement nécessaire pour transformer les découvertes scientifiques en produits utiles.

Une autre tendance encourageante est que les grandes entreprises telles que Microsoft qui ont une part confortable ou un quasi-monopole sur leur marché spécifique commencent à nouveau à voir la sagesse d'investir dans la recherche. C'est ce qui s'est produit au centre de recherche Xerox de Palo Alto dans les années 1970 et a conduit au développement de technologies de l'information extrêmement utiles comme Ethernet, la souris et l'interface utilisateur graphique. Sous la houlette de Bill Gates et Nathan Myhrvold, Microsoft a récemment pris un virage similaire, consacrant des centaines de millions à des projets de recherche fondamentale et de développement en informatique. Mais je me demande à quel point l'entreprise partagera ses découvertes avec d'autres entreprises.

Quoi qu'il en soit, il est important de reconnaître le véritable partenariat qui doit exister entre la science et la technologie. Ce n'est pas que la science devient la technologie devient des produits, affirme Moore en attaquant le modèle linéaire de développement industriel des Bell Labs. C'est la technologie qui amène la science derrière elle. Mais la science à laquelle il se réfère est la science étroitement appliquée pratiquée dans la plupart des industries d'aujourd'hui - à partir de laquelle peu ou pas d'innovations et de points de départ radicalement nouveaux émergeront jamais. La science et la technologie sont comme les deux chaînes polypeptidiques entrelacées dans une molécule d'ADN. Chacun influence l'autre dans une relation symbiotique compliquée qui serait grandement diminuée si l'une devenait la servante de l'autre.

Mon point central est que nous devons surmonter la nature fragmentée de l'entreprise de R&D d'aujourd'hui. Ce qui a caractérisé les Bell Labs d'après-guerre et conduit à l'invention et au développement du transistor, c'est que la gamme complète des talents nécessaires à l'innovation révolutionnaire se trouvait sous un même toit, travaillant en étroite collaboration comme une unité bien huilée sous une direction éclairée qui comprenait comment de telles équipes multidisciplinaires avaient développé le radar et la bombe atomique pendant la Seconde Guerre mondiale. J'espère que nous n'aurons pas besoin d'un autre cataclysme de ce genre pour nous rappeler une fois de plus la valeur de la recherche et du développement en coopération.

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