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Les semiconducteurs occupent le devant de la scène depuis quelques semaines. Pour mieux comprendre ce secteur, une série d’articles sera proposée couvrant différents aspects fondamentaux.
Il y a bien longtemps, dans une galaxie pas si lointaine apparu le semi-conducteur. On pourrait croire qu’il s’agit d’un matériau qui conduit l’électricité de façon moyenne. C’est bien plus que cela: il s’agit d’une famille de matériaux qui laisse passer (conducteur) ou ne laisse pas passer (isolant) le courant électrique. Il est donc possible d’altérer et de commander la conductivité d’un semiconducteur; et cette propriété fondamentale va changer le monde.
Le terme «semiconducteur» est utilisé pour la première fois par Alessandro Volta en 1782 lors d’une présentation à la Royal Society de Londres. En travaillant à la réalisation de sa fameuse pile, Volta observe que certain matériaux provoquent une décharge immédiate (les conducteurs) et que d’autres permettent de conserver la charge électrique (les isolants)… et certains matériaux ne sont ni l’un ni l’autre. Ils entrainent une décharge plus lente de la pile, Volta les appellent donc «semiconducteurs».
Cette découverte ouvre le champ des recherches sur les propriétés de cette étrange famille de matériaux. Dès 1833, Michael Faraday observe le premier véritable effet semiconducteur en constatant que le sulfure d’argent est soit conducteur, soit très résistif selon sa température. En 1874, Karl Ferdinan Baum (prix Nobel 1909) présente la première diode semiconductrice, dans laquelle le courant circule librement dans une seule direction au point de contact entre une pointe métallique et un cristal de galène. Ces premières découvertes trouvent rapidement de spectaculaires applications pratiques telles que la télégraphie sans fil (radio), mais l’on ne comprend pas encore très bien quelle est la physique de ces objets.
C’est la mécanique quantique, et son application aux atomes et électrons, qui va permettre l’ingénierie des semiconducteurs. En 1931, Alan Wilson reçoit la prestigieuse bourse Rockfeller qui lui permet de rejoindre Werner Heisenberg (prix Nobel 1932) à Leipzig. C’est à cette période qu’il publie la première théorie quantique des semiconducteurs et explique à la fois leurs propriétés conductrices (bandes de conduction) et leurs propriétés isolantes (bandes interdites). En 1938, Walter Schottky, Nevill Mott (prix Nobel 1977) et Boris Davydov présentent indépendamment les bases physiques du premier dispositif semiconducteur: la diode. Le monde se prépare alors à la guerre.
Paradoxalement, celle-ci accélère le développement des dispositifs à semiconducteurs. En effet, ils participent à la réalisation de systèmes RADAR qui permettent d’identifier à distance les avions ennemis et autres objets de mauvaise augure. L’Allemagne et les Etats-Unis se lancent ainsi dans une course qui aboutit en 1947 à l’invention du transistor. William Shockley et ses collègues John Bardeen et Walter Brattain réalisent le premier transistor semiconducteur dans les laboratoires Bell (prix Nobel 1956). A la même période, des chercheurs Allemands travaillant dans un laboratoire parisien présentent un dispositif identique à celui de l’équipe américaine: le transistron. Bien que présentant des performances meilleures que son homologue Américan, il ne connaitra pas le même destin… la France ne percevant pas le potentiel de cette technologie et préférant investir dans la recherche nucléaire.
En 1956, Schockley quitte le New-Jersey pour revenir s’installer en Californie. Il fonde la première société de semiconducteur de cette région que l’on appellera bientôt «Silicon Valley». Alors qu’il se détourne des technologies à base de silicium, une équipe d’ingénieur, «les huit traîtres», quitte la société pour fonder Fairchild Semiconductor (l’histoire se répètera, plus de 125 compagnies trouvant leurs racines chez Fairchild). En 1958, les premiers circuits intégrés, (associant plusieurs transistors dans un même circuit, ou puce électronique) sont présentés par Jack Kilby chez Texas Instruments (prix Nobel 2000) et en 1959 par Robert Noyce chez Fairchild.
En 1961, le président Kennedy lance la course aux étoiles qui aboutira aux premiers pas sur la Lune en 1969. Entre 1962 et 1967, le programme Apollo utilisera plus d’un million de ces circuits intégrés, consommant plus de la moitié de la production mondiale et participant à la baisse spectaculaire des prix des circuits intégrés (un facteur 1000). Cette capacité incroyable à réduire les coûts tout en augmentant les performances est remarquée dès 1965 par le directeur de la recherche de Fairchild, Gordon Moore, dont le nom restera associé au moteur économique de l’industrie du semiconducteur (la fameuse loi de Moore). En 1968, Robert Noyce et Gordon Moore fondent Intel (Integrated Electronics), ouvrant l’ère de l’informatique avec l’invention du microprocesseur en 1971.
Sources : SemiWiki, Computer History Museum, Cornell University, IEEE Spectrum