Qu'est-ce qu'un transistor épitaxial?

Le transistor épitaxial est le précurseur de nombreux dispositifs semi-conducteurs modernes. Un transistor standard utilise trois pièces de matériau semi-conducteur directement fusionnées. Les transistors épitaxiaux ressemblent beaucoup à des transistors standard, à la différence qu’ils disposent d’une très fine couche de matériau semi-conducteur pur et non chargé, déposée entre les sections de transistors pour les isoler les unes des autres. Cela améliore considérablement la vitesse et les performances de l'appareil.

Un transistor standard est constitué de trois pièces en matériau semi-conducteur, tel que le silicium. Le silicium de ces pièces est mélangé à un additif qui leur donne une charge électrique. Pour un transistor de type NPN, une norme industrielle, deux des pièces sont chargées négativement tandis que la troisième est chargée positivement.

Pour construire le transistor, les trois pièces de silicium sont fusionnées, la pièce chargée positivement étant prise en sandwich entre les deux pièces chargées négativement. Une fois ces pièces fusionnées, un échange d'électrons a lieu aux deux endroits où elles se rencontrent, appelées jonctions. L'échange d'électrons se poursuit dans les jonctions jusqu'à ce qu'un équilibre entre les charges négatives et positives soit atteint. Après avoir équilibré les charges électriques, ces deux zones n’ont plus aucune charge et sont appelées régions d’épuisement.

Les régions d'appauvrissement dans un transistor déterminent de nombreuses caractéristiques de fonctionnement du dispositif, telles que la vitesse à laquelle le dispositif peut changer d'état, appelée commutation, et les tensions auxquelles le dispositif conduira ou échouera, appelées tension de rupture ou d'avalanche. Comme la méthode de création des régions d’appauvrissement dans les transistors standard se déroule naturellement, ils ne sont pas d'une précision optimale et ne peuvent pas être contrôlés pour améliorer ou modifier leur structure physique. Pendant des années, les transistors au germanium présentaient des vitesses de commutation supérieures à celles des transistors au silicium simplement parce que le semi-conducteur au germanium avait tendance à former naturellement des régions d'appauvrissement plus strictes.

En 1951, Howard Christensen et Gordon Teal de Bell Labs ont créé une technologie que nous appelons maintenant déposition épitaxiale. Comme son nom l'indique, cette technologie pourrait permettre de déposer un film ou une couche très mince de matériau sur un substrat d'un matériau identique. En 1960, Henry Theurer a dirigé l’équipe de Bell qui a perfectionné l’utilisation du dépôt épitaxial pour les semi-conducteurs en silicium.

Cette nouvelle approche de la construction de transistors a changé pour toujours les dispositifs à semi-conducteurs. Au lieu de s’appuyer sur les tendances naturelles du silicium pour former les régions d’appauvrissement d’un transistor, la technologie pourrait ajouter de très fines couches de silicium pur et non chargé qui serviraient de régions d’appauvrissement. Ce processus a permis aux concepteurs de contrôler avec précision les caractéristiques de fonctionnement des transistors en silicium et, pour la première fois, des transistors en silicium peu coûteux sont devenus supérieurs à leurs homologues en germanium.

Le processus de dépôt épitaxial étant perfectionné, l’équipe Bell a créé le premier transistor épitaxial, que la société a immédiatement mis en service dans son équipement de commutation téléphonique, améliorant à la fois la vitesse et la fiabilité du système. Impressionné par les performances du transistor épitaxial, Fairchild Semiconductors a commencé à travailler sur son propre transistor épitaxial, le légendaire 2N914. Il a publié le dispositif sur le marché en 1961 et il est resté largement utilisé.

Après la publication de Fairchild, d’autres sociétés, telles que Sylvania, Motorola et Texas Instruments, ont commencé à travailler sur leurs propres transistors épitaxiaux, et le Silicon Age de l’électronique est né. En raison du succès des dépôts épitaxiaux dans la création de transistors et des dispositifs au silicium en général, les ingénieurs ont recherché d'autres utilisations de la technologie, qui a rapidement été utilisée avec d'autres matériaux, tels que les oxydes métalliques. Les descendants directs du transistor épitaxial existent dans presque tous les dispositifs électroniques avancés imaginables: écrans plats, CCD pour appareils photo numériques, téléphones cellulaires, circuits intégrés, processeurs informatiques, puces mémoires, cellules solaires et une myriade d'autres dispositifs à la base de tous systèmes technologiques modernes.

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