Semi-conducteur

Un matériau semi-conducteur a une valeur de conductivité électrique comprise entre celle d’un conducteur, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, tel que le verre. Leur résistance diminue à mesure que leur température augmente, ce qui est un comportement opposé à celui d’un métal. Leurs propriétés conductrices peuvent être modifiées de manière utile par l’introduction délibérée et contrôlée d’impuretés (« dopage ») dans la structure cristalline. Lorsque deux régions dopées différemment existent dans le même cristal, une jonction semi-conductrice est créée. Le comportement des porteurs de charge qui comprennent des électrons, des ions et des trous d’électrons à ces jonctions est la base des diodes, des transistors et de toute l’électronique moderne.

Les dispositifs à semi-conducteurs peuvent afficher une gamme de propriétés utiles, telles que le passage du courant plus facilement dans une direction que l’autre, montrant une résistance variable et une sensibilité à la lumière ou à la chaleur. Étant donné que les propriétés électriques d’un matériau semi-conducteur peuvent être modifiées par dopage ou par application de champs électriques ou de lumière, des dispositifs à base de semi-conducteurs peuvent être utilisés pour l’amplification, la commutation et la conversion d’énergie.

La conductivité du silicium est augmentée en ajoutant une petite quantité d’atomes pentavalents (antimoine, phosphore ou arsenic) ou trivalents (bore, gallium, indium) (partie en 108). Ce processus est connu sous le nom de dopage et les semi-conducteurs résultants sont appelés semi-conducteurs dopés ou extrinsèques.

La compréhension moderne des propriétés d’un semi-conducteur repose sur la physique quantique pour expliquer le mouvement des porteurs de charge dans un réseau cristallin. Le dopage augmente considérablement le nombre de porteurs de charge dans le cristal. Lorsqu’un semi-conducteur dopé contient principalement des trous libres, il est appelé « type p » et lorsqu’il contient principalement des électrons libres, il est appelé « type n ». Les matériaux semi-conducteurs utilisés dans les dispositifs électroniques sont dopés dans des conditions précises pour contrôler la concentration et les régions des dopants de type p et n. Un seul cristal semi-conducteur peut avoir de nombreuses régions de type p et n; les jonctions p – n entre ces régions sont responsables du comportement électronique utile.

Bien que certains éléments purs et de nombreux composés présentent des propriétés de semi-conducteurs, le silicium, [une meilleure source nécessaire] de germanium et des composés de gallium sont les plus largement utilisés dans les dispositifs électroniques. Les éléments proches du soi-disant « escalier métalloïde », où les métalloïdes sont situés sur le tableau périodique, sont généralement utilisés comme semi-conducteurs.

Certaines des propriétés des matériaux semi-conducteurs ont été observées au milieu du 19ème siècle et dans les premières décennies du 20ème siècle. La première application pratique des semi-conducteurs en électronique a été le développement en 1904 du détecteur cat-whisker, une diode semi-conductrice primitive largement utilisée dans les premiers récepteurs radio. Les développements en physique quantique ont à leur tour permis le développement du transistor en 1947 et du circuit intégré en 1958.

Propriétés

Conductivité variable
Les semi-conducteurs dans leur état naturel sont de mauvais conducteurs car un courant nécessite le flux d’électrons, et les semi-conducteurs ont leurs bandes de valence remplies, empêchant le flux d’entrée de nouveaux électrons. Il existe plusieurs techniques développées qui permettent aux matériaux semi-conducteurs de se comporter comme des matériaux conducteurs, tels que le dopage ou la gating. Ces modifications ont deux conséquences: le type n et le type p. Celles-ci se réfèrent respectivement à l’excès ou à la pénurie d’électrons. Un nombre non équilibré d’électrons entraînerait un courant à travers le matériau.

Hétérojonctions
Les hétérojonctions se produisent lorsque deux matériaux semi-conducteurs dopés différemment sont réunis. Par exemple, une configuration pourrait être constituée de germanium dopé p et dopé n. Cela se traduit par un échange d’électrons et de trous entre les matériaux semi-conducteurs dopés différemment. Le germanium à dopage n aurait un excès d’électrons et le germanium à dopage p aurait un excès de trous. Le transfert se produit jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint par un processus appelé recombinaison, qui provoque le contact des électrons migrants du type n avec les trous de migration du type p. Un produit de ce processus est constitué par des ions chargés, qui se traduisent par un champ électrique.

Électrons excités
Une différence de potentiel électrique sur un matériau semi-conducteur lui ferait perdre son équilibre thermique et créerait une situation de non-équilibre. Cela introduit des électrons et des trous dans le système, qui interagissent via un processus appelé diffusion ambipolaire. Chaque fois que l’équilibre thermique est perturbé dans un matériau semi-conducteur, le nombre de trous et d’électrons change. Ces perturbations peuvent résulter d’une différence de température ou de photons, qui peuvent pénétrer dans le système et créer des électrons et des trous. Le processus qui crée et annihile les électrons et les trous s’appelle la génération et la recombinaison.

Émission de lumière
Dans certains semi-conducteurs, les électrons excités peuvent se détendre en émettant de la lumière au lieu de produire de la chaleur. Ces semi-conducteurs sont utilisés dans la construction de diodes électroluminescentes et de points quantiques fluorescents.

Conversion d’énergie thermique
Les semi-conducteurs ont de grands facteurs de puissance thermoélectriques, ce qui les rend utiles dans les générateurs thermoélectriques, ainsi que des figures thermoélectriques de qualité les rendant utiles dans les refroidisseurs thermoélectriques.

Matériaux
Un grand nombre d’éléments et de composés ont des propriétés semi-conductrices, notamment:

Certains éléments purs se trouvent dans le groupe 14 du tableau périodique; les plus importants commercialement de ces éléments sont le silicium et le germanium. Le silicium et le germanium sont utilisés ici efficacement car ils ont 4 électrons de valence dans leur enveloppe la plus externe, ce qui leur donne la possibilité de gagner ou de perdre des électrons en même temps.
Composés binaires, en particulier entre des éléments des groupes 13 et 15, tels que l’arséniure de gallium, groupes 12 et 16, groupes 14 et 16, et entre différents éléments du groupe 14, par exemple le carbure de silicium.
Certains composés ternaires, oxydes et alliages.
Semi-conducteurs organiques, constitués de composés organiques.

Les matériaux semi-conducteurs les plus courants sont les solides cristallins, mais les semi-conducteurs amorphes et liquides sont également connus. Celles-ci comprennent du silicium amorphe hydrogéné et des mélanges d’arsenic, de sélénium et de tellure dans diverses proportions. Ces composés partagent avec les semi-conducteurs plus connus les propriétés de conductivité intermédiaire et une variation rapide de la conductivité avec la température, ainsi qu’une résistance négative occasionnelle. Ces matériaux désordonnés ne possèdent pas la structure cristalline rigide des semi-conducteurs classiques tels que le silicium. Ils sont généralement utilisés dans les structures en couches minces, qui ne nécessitent pas de matériau de qualité électronique supérieure, relativement peu sensible aux impuretés et aux dommages dus aux rayonnements.

Préparation de matériaux semi-conducteurs
Presque toute la technologie électronique actuelle implique l’utilisation de semi-conducteurs, l’aspect le plus important étant le circuit intégré (IC), que l’on trouve dans les ordinateurs portables, les scanners, les téléphones portables, etc. Pour créer un matériau semi-conducteur idéal, la pureté chimique est primordiale. Toute petite imperfection peut avoir un effet considérable sur le comportement du matériau semi-conducteur en raison de l’échelle d’utilisation des matériaux.

Un degré élevé de perfection cristalline est également requis, car les défauts de la structure cristalline (tels que les dislocations, les jumeaux et les défauts d’empilement) interfèrent avec les propriétés semi-conductrices du matériau. Les défauts cristallins sont une cause majeure des dispositifs à semi-conducteurs défectueux. Plus le cristal est grand, plus il est difficile d’atteindre la perfection nécessaire. Les procédés de production de masse actuels utilisent des lingots de cristal de diamètre compris entre 100 et 300 mm (3,9 et 11,8 pouces), qui sont cultivés sous forme de cylindres et découpés en tranches.

Il existe une combinaison de processus permettant de préparer des matériaux semi-conducteurs pour les circuits intégrés. Un processus s’appelle l’oxydation thermique, qui forme du dioxyde de silicium à la surface du silicium. Ceci est utilisé comme isolant de grille et oxyde de champ. D’autres processus sont appelés photomasques et photolithographie. C’est ce processus qui crée les motifs sur le circuit dans le circuit intégré. La lumière ultraviolette est utilisée avec une couche de résine photosensible pour créer un changement chimique qui génère les motifs du circuit.

La gravure est le prochain processus requis. La partie du silicium qui n’était pas recouverte par la couche de résine photosensible de l’étape précédente peut maintenant être gravée. Le processus principal généralement utilisé aujourd’hui s’appelle la gravure au plasma. La gravure au plasma implique généralement un gaz de gravure pompé dans une chambre basse pression pour créer du plasma. Un gaz de gravure commun est le chlorofluorocarbure, ou plus communément appelé fréon. Une tension haute fréquence radio entre la cathode et l’anode est ce qui crée le plasma dans la chambre. La plaquette de silicium est située sur la cathode, ce qui la fait toucher par les ions chargés positivement qui sont libérés du plasma. Le résultat final est du silicium qui est gravé de manière anisotrope.

Le dernier processus s’appelle la diffusion. C’est le processus qui confère au matériau semi-conducteur ses propriétés semi-conductrices souhaitées. Il est également connu sous le nom de dopage. Le processus introduit un atome impur dans le système, ce qui crée la jonction pn. Afin d’obtenir les atomes impurs incorporés dans la plaquette de silicium, la plaquette est d’abord placée dans une chambre de 1 100 degrés Celsius. Les atomes sont injectés et diffusent éventuellement avec le silicium. Une fois le processus terminé et le silicium atteint la température ambiante, le processus de dopage est terminé et le matériau semi-conducteur est prêt à être utilisé dans un circuit intégré.

Physique des semi-conducteurs

Bandes d’énergie et conduction électrique
Les semi-conducteurs sont définis par leur comportement conducteur électrique unique, quelque part entre un conducteur et un isolant. Les différences entre ces matériaux peuvent être comprises en termes d’états quantiques pour les électrons, chacun pouvant contenir zéro ou un électron (selon le principe d’exclusion de Pauli). Ces états sont associés à la structure de bande électronique du matériau. La conductivité électrique est due à la présence d’électrons dans des états délocalisés (à travers le matériau), mais pour transporter des électrons, un état doit être partiellement rempli, contenant seulement un électron. Si l’état est toujours occupé par un électron, alors il est inerte, bloquant le passage d’autres électrons via cet état. Les énergies de ces états quantiques sont critiques, car un état n’est partiellement rempli que si son énergie est proche du niveau de Fermi (voir les statistiques de Fermi-Dirac).

Une conductivité élevée dans un matériau provient de nombreux états partiellement remplis et de beaucoup de délocalisation d’état. Les métaux sont de bons conducteurs électriques et ont de nombreux états partiellement remplis avec des énergies proches de leur niveau de Fermi. Les isolants, en revanche, ont peu d’états partiellement remplis, leurs niveaux de Fermi étant situés dans des bandes interdites avec peu d’états énergétiques à occuper. Fait important, un isolant peut être conduit en augmentant sa température: le chauffage fournit de l’énergie pour promouvoir certains électrons à travers la bande interdite, induisant des états partiellement remplis dans la bande d’états sous la bande interdite (bande de valence) la bande interdite (bande de conduction). Un semi-conducteur (intrinsèque) a une bande interdite inférieure à celle d’un isolant et, à température ambiante, un nombre significatif d’électrons peut être excité pour traverser la bande interdite.

Un semi-conducteur pur n’est cependant pas très utile, car ce n’est ni un très bon isolant ni un très bon conducteur. Cependant, une caractéristique importante des semi-conducteurs (et de certains isolants, connus sous le nom de semi-isolants) est que leur conductivité peut être augmentée et contrôlée par un dopage avec des impuretés et par des champs électriques. Le dopage et le déclenchement déplacent la bande de conduction ou de valence beaucoup plus près du niveau de Fermi et augmentent considérablement le nombre d’états partiellement remplis.

Certains matériaux semi-conducteurs à large bande interdite sont parfois appelés semi-isolants. Lorsqu’ils ne sont pas dopés, ils ont une conductivité électrique plus proche de celle des isolants électriques, mais ils peuvent être dopés (ce qui les rend aussi utiles que les semi-conducteurs). Les semi-isolants trouvent des applications de niche en micro-électronique, tels que les substrats pour HEMT. Un exemple de semi-isolant commun est l’arséniure de gallium. Certains matériaux, tels que le dioxyde de titane, peuvent même être utilisés comme matériaux isolants pour certaines applications, tout en étant traités comme des semi-conducteurs à large intervalle pour d’autres applications.

Porteurs de charge (électrons et trous)
Le remplissage partiel des états au bas de la bande de conduction peut être compris comme ajoutant des électrons à cette bande. Les électrons ne restent pas indéfiniment (en raison de la recombinaison thermique naturelle), mais ils peuvent se déplacer pendant un certain temps. La concentration réelle des électrons est généralement très diluée et, contrairement aux métaux, il est possible de considérer les électrons de la bande de conduction d’un semi-conducteur comme une sorte de gaz idéal classique, où les électrons volent librement sans être soumis à le principe d’exclusion de Pauli. Dans la plupart des semi-conducteurs, les bandes de conduction ont une relation de dispersion parabolique, de sorte que ces électrons répondent à des forces (champ électrique, champ magnétique, etc.) comme dans le vide, mais avec une masse efficace différente. Comme les électrons se comportent comme un gaz idéal, on peut aussi penser à la conduction en termes très simples, comme le modèle de Drude, et introduire des concepts tels que la mobilité des électrons.

Pour un remplissage partiel en haut de la bande de valence, il est utile d’introduire le concept d’un trou d’électron. Bien que les électrons dans la bande de valence se déplacent toujours, une bande de valence complètement pleine est inerte, ne conduisant aucun courant. Si un électron est sorti de la bande de valence, alors la trajectoire que l’électron aurait normalement prise est maintenant absente de sa charge. Aux fins du courant électrique, cette combinaison de la bande de valence complète, moins l’électron, peut être convertie en une image d’une bande complètement vide contenant une particule chargée positivement qui se déplace de la même manière que l’électron. Combiné à la masse efficace négative des électrons au sommet de la bande de valence, nous arrivons à une image d’une particule chargée positivement qui répond aux champs électriques et magnétiques comme le ferait une particule chargée positivement dans le vide masse effective. Cette particule est appelée un trou, et la collection de trous dans la bande de valence peut à nouveau être comprise en termes classiques simples (comme avec les électrons dans la bande de conduction).

Génération et recombinaison de porteuses
Lorsque le rayonnement ionisant frappe un semi-conducteur, il peut exciter un électron hors de son niveau d’énergie et par conséquent laisser un trou. Ce processus est appelé génération de paires électron-trou. Les paires de trous d’électrons sont également générées par l’énergie thermique, en l’absence de toute source d’énergie externe.

Les paires de trous d’électrons sont également susceptibles de se recombiner. La conservation de l’énergie exige que ces événements de recombinaison, dans lesquels un électron perd une quantité d’énergie supérieure à la bande interdite, soient accompagnés de l’émission d’énergie thermique (sous forme de phonons) ou de rayonnement (sous forme de photons).

Dans certains états, la génération et la recombinaison des paires électron-trou sont en équilibre. Le nombre de paires électron-trou en régime permanent à une température donnée est déterminé par la mécanique statistique quantique. Les mécanismes mécaniques précis de génération et de recombinaison quantiques sont régis par la conservation de l’énergie et la conservation de la quantité de mouvement.

Comme la probabilité que les électrons et les trous se rencontrent est proportionnelle au produit de leurs nombres, le produit est en état stable presque constant à une température donnée, à condition qu’il n’y ait pas de champ électrique significatif (qui pourrait « rincer » les porteurs des deux types). ou les déplacer des régions voisines contenant plus d’entre eux pour se rencontrer) ou la génération de paires dirigée de l’extérieur. Le produit est fonction de la température, car la probabilité d’obtenir suffisamment d’énergie thermique pour produire une paire augmente avec la température, étant approximativement exp (−EG / kT), k étant la constante de Boltzmann, T la température absolue et EG la bande interdite .

La probabilité de rencontre est augmentée par les pièges porteurs – impuretés ou dislocations qui peuvent piéger un électron ou un trou et le maintenir jusqu’à ce qu’une paire soit terminée. De tels pièges à support sont parfois ajoutés à dessein pour réduire le temps nécessaire pour atteindre l’état d’équilibre.

Se doper
La conductivité des semi-conducteurs peut facilement être modifiée en introduisant des impuretés dans leur réseau cristallin. Le processus consistant à ajouter des impuretés contrôlées à un semi-conducteur est appelé dopage. La quantité d’impureté ou de dopant ajoutée à un semi-conducteur intrinsèque (pur) fait varier son niveau de conductivité. Les semi-conducteurs dopés sont appelés extrinsèques. En ajoutant une impureté aux semi-conducteurs purs, la conductivité électrique peut être modifiée par des facteurs de milliers ou de millions.

Un spécimen de 1 cm3 d’un métal ou d’un semi-conducteur a de l’ordre de 1022 atomes. Dans un métal, chaque atome donne au moins un électron libre pour la conduction, donc 1 cm3 de métal contient environ 1022 électrons libres, tandis qu’un échantillon de 1 cm3 de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 1022 atomes, mais seulement 2,5 × 1013 électrons libres et 2,5 × 1013 trous. L’addition de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne 1017 électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est multipliée par 10 000.

Les matériaux choisis comme dopants appropriés dépendent des propriétés atomiques du dopant et du matériau à doper. En général, les dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons ou donneurs. Les semi-conducteurs dopés avec des impuretés donneuses sont appelés de type n, tandis que ceux dopés avec des impuretés accepteurs sont connus sous le nom de type p. Les désignations de type n et p indiquent quel support de charge agit comme porteur majoritaire du matériau. La porteuse opposée est appelée porteuse minoritaire, qui existe en raison d’une excitation thermique beaucoup plus faible que celle du porteur majoritaire.

Par exemple, le silicium semi-conducteur pur comporte quatre électrons de valence qui lient chaque atome de silicium à ses voisins. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe III contiennent tous trois électrons de valence, les faisant fonctionner comme accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium dans le cristal, un état vacant (un « trou » électronique) est créé, lequel peut se déplacer autour du réseau et fonctionne comme un porteur de charge. Les éléments du groupe V ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d’agir comme donneur; la substitution de ces atomes par le silicium crée un électron libre supplémentaire. Par conséquent, un cristal de silicium dopé au bore crée un semi-conducteur de type p alors qu’un dopé au phosphore donne un matériau de type n.

Pendant la fabrication, des dopants peuvent être diffusés dans le corps semi-conducteur par contact avec des composés gazeux de l’élément souhaité, ou l’implantation ionique peut être utilisée pour positionner avec précision les régions dopées.

Histoire ancienne des semi-conducteurs
L’histoire de la compréhension des semi-conducteurs commence par des expériences sur les propriétés électriques des matériaux. Les propriétés du coefficient de résistance à la température négative, de la rectification et de la sensibilité à la lumière ont été observées au début du XIXe siècle.

Thomas Johann Seebeck fut le premier à remarquer un effet dû aux semi-conducteurs, en 1821. En 1833, Michael Faraday rapporta que la résistance des spécimens de sulfure d’argent diminuait lorsqu’ils étaient chauffés. Ceci est contraire au comportement des substances métalliques telles que le cuivre. En 1839, Alexandre Edmond Becquerel a fait état de l’observation d’une tension entre un électrolyte solide et un électrolyte liquide lorsqu’il est frappé par la lumière, l’effet photovoltaïque. En 1873, Willoughby Smith a observé que les résistances au sélénium présentaient une résistance décroissante lorsque la lumière tombait sur elles. En 1874, Karl Ferdinand Braun observait la conduction et la rectification dans les sulfures métalliques, bien que cet effet ait été découvert bien plus tôt par Peter Munck af Rosenschold (sv), écrivant pour l’Annalen der Physik und Chemie en 1835, et Arthur Schuster fils a des propriétés de rectification qui cesse lorsque les fils sont nettoyés. William Grylls Adams et Richard Evans Day ont observé l’effet photovoltaïque dans le sélénium en 1876.

Une explication unifiée de ces phénomènes nécessitait une théorie de la physique du solide qui s’est considérablement développée dans la première moitié du XXe siècle. En 1878, Edwin Herbert Hall a démontré la déviation des porteurs de charge en circulation par un champ magnétique appliqué, l’effet Hall. La découverte de l’électron par JJ Thomson en 1897 a suscité des théories sur la conduction électronique dans les solides. Karl Baedeker, en observant un effet Hall avec le signe inverse à celui des métaux, a théorisé que l’iodure de cuivre avait des porteurs de charge positifs. Johan Koenigsberger a classé les matériaux solides comme métaux, isolants et « conducteurs variables » en 1914 bien que son étudiant Josef Weiss ait déjà introduit le terme Halbleiter (semi-conducteur dans le sens moderne) en 1910. Felix Bloch a publié une théorie du mouvement des électrons à travers l’atome treillis en 1928. En 1930, B. Gudden a déclaré que la conductivité dans les semi-conducteurs était due à de faibles concentrations d’impuretés. En 1931, Alan Herries Wilson avait établi la théorie de la conduction des bandes et développé le concept de bandes interdites. Walter H. Schottky et Nevill Francis Mott ont développé des modèles de la barrière de potentiel et des caractéristiques d’une jonction métal-semiconducteur. En 1938, Boris Davydov avait développé une théorie du redresseur à l’oxyde de cuivre, identifiant l’effet de la jonction p-n et l’importance des porteurs minoritaires et des états de surface.

L’accord entre les prédictions théoriques (basées sur le développement de la mécanique quantique) et les résultats expérimentaux était parfois médiocre. Cela a été expliqué plus tard par John Bardeen en raison de l’extrême « comportement sensible à la structure » des semi-conducteurs, dont les propriétés changent radicalement en fonction de petites quantités d’impuretés. Les matériaux commercialement purs des années 1920 contenant des proportions variables de traces de contaminants ont produit des résultats expérimentaux différents. Cela a favorisé le développement de techniques de raffinage des matériaux améliorées, aboutissant à des raffineries de semi-conducteurs modernes produisant des matériaux d’une pureté de parties par billion.

Les dispositifs utilisant des semi-conducteurs ont d’abord été construits sur la base de connaissances empiriques, avant que la théorie des semi-conducteurs ne fournisse un guide pour la construction de dispositifs plus performants et plus fiables.

Alexander Graham Bell a utilisé la propriété photosensible du sélénium pour transmettre le son sur un faisceau de lumière en 1880. Une cellule solaire en état de fonctionnement, de faible efficacité, a été construite par Charles Fritts en 1883 avec une plaque de métal recouverte de sélénium et une fine couche de or; l’appareil est devenu commercialement utile dans les photomètres dans les années 1930. Des redresseurs à détecteur hyperfréquence à contact ponctuel en sulfure de plomb ont été utilisés par Jagadish Chandra Bose en 1904; Le détecteur de moustaches de chat utilisant de la galène naturelle ou d’autres matériaux est devenu un dispositif courant dans le développement de la radio. Cependant, son fonctionnement était quelque peu imprévisible et nécessitait un ajustement manuel pour de meilleures performances. En 1906, HJ Round a observé une émission de lumière lorsque le courant électrique traversait des cristaux de carbure de silicium, principe qui sous-tend la diode électroluminescente. Oleg Losev a observé une émission de lumière similaire en 1922, mais à l’époque, l’effet n’avait aucune utilité pratique. Les redresseurs de puissance, utilisant de l’oxyde de cuivre et du sélénium, ont été mis au point dans les années 1920 et sont devenus une alternative commerciale aux redresseurs à tubes sous vide.

Dans les années qui ont précédé la Seconde Guerre mondiale, les dispositifs de détection et de communication infrarouges ont conduit à des recherches sur les matériaux contenant du sulfure de plomb et du séléniure de plomb. Ces dispositifs étaient utilisés pour détecter les navires et les avions, les télémètres infrarouges et les systèmes de communication vocale. Le détecteur de cristaux à contact ponctuel est devenu vital pour les systèmes radioélectriques à hyperfréquences, car les tubes à vide disponibles ne pouvaient pas servir de détecteurs au-dessus d’environ 4000 MHz; les systèmes radar avancés reposaient sur la réponse rapide des détecteurs de cristaux. Une recherche et un développement considérables de matériaux en silicium ont eu lieu pendant la guerre pour développer des détecteurs de qualité constante.

Les redresseurs de détection et de puissance ne pouvaient pas amplifier un signal. De nombreux efforts ont été faits pour développer un amplificateur à semi-conducteurs et ont réussi à développer un dispositif appelé transistor à contact ponctuel qui pourrait amplifier 20 dB ou plus. En 1922, Oleg Losev a développé des amplificateurs à résistance négative à deux bornes pour la radio et il a péri lors du siège de Leningrad après avoir été achevé avec succès. En 1926, Julius Edgar Lilienfeld a breveté un dispositif ressemblant à un transistor à effet de champ moderne, mais ce n’était pas pratique. R. Hilsch et RW Pohl en 1938 ont présenté un amplificateur à semi-conducteurs utilisant une structure ressemblant à la grille de contrôle d’un tube à vide; Bien que le dispositif ait affiché un gain de puissance, il avait une fréquence de coupure d’un cycle par seconde, trop faible pour toute application pratique, mais une application efficace de la théorie disponible. Aux laboratoires Bell, William Shockley et A. Holden ont commencé à étudier les amplificateurs à semi-conducteurs en 1938. Russell Ohl a observé la première jonction p-n dans le silicium vers 1941, quand un spécimen était sensible à la lumière, avec une frontière nette entre impureté de type p à une extrémité et type n à l’autre. Une coupe de l’échantillon à la limite p – n a généré une tension lorsqu’elle est exposée à la lumière.

En France, pendant la guerre, Herbert Mataré avait observé une amplification entre des contacts ponctuels adjacents sur une base de germanium. Après la guerre, le groupe de Mataré a annoncé son amplificateur « Transistron » peu après que Bell Labs eut annoncé le « transistor ».