Construire un transistor

En une phrase

Un transistor est un minuscule composant en semi-conducteur qui fonctionne comme un interrupteur commandé par l’électricité, permettant d’amplifier un signal ou de stocker un bit d’information.

Comment ça marche

Qu’est-ce que c’est ?

Un transistor est un morceau de cristal semi-conducteur (germanium ou silicium) dans lequel on a créé trois zones avec des propriétés électriques différentes : l’émetteur, la base et le collecteur. La base, très fine, commande le passage du courant entre l’émetteur et le collecteur. Un tout petit courant sur la base permet (ou bloque) un courant beaucoup plus fort entre émetteur et collecteur. C’est l’interrupteur électrique parfait.

C’est le composant qui a remplacé les tubes à vide et qui a rendu possible l’informatique moderne. Un seul transistor peut servir d’interrupteur (marche/arrêt), d’amplificateur (petit signal en, grand signal dehors) ou de mémoire (bloqué ou passant = 0 ou 1).

Il existe deux types principaux :

• NPN : le courant principal va du collecteur (positif) vers l’émetteur (négatif), commandé par un courant positif sur la base.
• PNP : le courant principal va de l’émetteur (positif) vers le collecteur (négatif), commandé par un courant négatif sur la base.

Où le trouver / comment le fabriquer ?

Fabriquer un transistor de zéro est l’un des défis technologiques les plus ardus. Les semi-conducteurs nécessitent une pureté extrême (99,99999999 pour cent) et des opérations de précision microscopique.

Cependant, un transistor rudimentaire dit “à point de contact” peut être fabriqué de manière artisanale. Il s’agit d’un cristal de germanium avec deux fils métalliques très fins touchant sa surface à quelques dixièmes de millimètres de distance. C’est ce type de transistor qui a été inventé le premier, en 1947.

Les matériaux nécessaires :

• Germanium : un métal gris-blanc qu’on trouve dans certains minerais (argyrodite, germanite). Plus facile à purifier que le silicium pour un débutant.
• Fils métalliques fins : fil de tungstène, de phosphore-bronze ou d’or pour les contacts ponctuels.
• Phosphore, antimoine, bore, aluminium : pour le dopage (modification des propriétés électriques du cristal).
• Four pouvant atteindre 1200 degrés : pour fondre et purifier le germanium

Comment l’utiliser ?

Un transistor s’utilise dans un circuit électrique. On le branche avec trois fils : émetteur, base, collecteur. Un petit courant sur la base commande un grand courant entre collecteur et émetteur. C’est l’amplification. Alternativement, on l’utilise comme interrupteur : courant sur la base = circuit fermé, pas de courant sur la base = circuit ouvert.

Étapes détaillées

1. Obtenir du germanium

Le germanium est l’élément le plus accessible pour un premier transistor artisanal.

Sources possibles :

• Minerai d’argyrodite (sulfure d’argent et de germanium) : rare mais existe.
• Poussières de zinc traitées : le germanium est un sous-produit de l’industrie du zinc.
• Composants électroniques récupérés : les anciennes diodes au germanium contiennent des petits cristaux utilisables.
• Cendres de certaines coalifications : traces de germanium.

Si on ne trouve pas de germanium, le silicium (sable de quartz pur) est une alternative, mais sa purification est beaucoup plus difficile.

2. Purifier le germanium

La pureté est essentielle. Même une infime impureté détruit l’effet semi-conducteur.

Méthode de purification par zone fondue (méthode la plus accessible artisanale) :

• Fondre le germanium dans un creuset en graphite à 938 degrés.
• Déplacer lentement un anneau chauffant le long de la barre de germanium solide. La zone fondue se déplace et les impuretés migrent vers l’extrémité.
• Répéter plusieurs fois. Couper et jeter l’extrémité contaminée.
• Après 10 à 20 passages, on obtient un germanium suffisamment pur.

3. Découper et préparer le cristal

• Scier une petite plaquette de germanium pur : environ 2 à 3 millimètres d’épaisseur et 5 millimètres de côté.
• Polir la surface avec de la poudre de carborundum (carbure de silicium) de plus en plus fine, puis de l’alumine. La surface doit être parfaitement lisse et plane, comme un miroir.
• Nettoyer à l’eau distillée puis à l’alcool.
• La surface doit être exempte de toute contamination : la manipuler avec des gants propres et des pinces.

4. Créer les contacts ponctuels (transistor à point de contact)

C’est le type de transistor le plus simple à fabriquer.

• Fixer la plaquette de germanium sur un support métallique (c’est l’émetteur, connecté à la face inférieure du cristal).
• Approcher deux fils métalliques très fins (en phosphore-bronze ou en tungstène) de la surface supérieure du cristal. Ces fils font environ 0,05 à 0,1 millimètre de diamètre.
• Les deux fils doivent toucher la surface du germanium à environ 0,1 à 0,5 millimètres de distance l’un de l’autre.
• Le fil le plus proche du bord est l’émetteur, l’autre est le collecteur. La base est la plaque de germanium elle-même.
• Former les contacts en envoyant une brève impulsion de courant (quelques volts, quelques millisecondes) à travers chaque point de contact. Cette impulsion “forme” le contact en modifiant localement le germanium.

5. Monter dans un boîtier

• placer l’ensemble (cristal + fils + support) dans un boîtier en verre ou en métal hermétique.
• Souder les trois connexions (émetteur, base, collecteur) sur des broches qui sortent du boîtier.
• Sceller le boîtier sous vide ou sous gaz inerte (azote) pour protéger le cristal de l’oxydation et de l’humidité.
• Si on ne peut pas sceller sous vide, au moins enfermer dans un boîtier étanche avec un dessicant (gel de silice).

6. Tester le transistor

• Brancher le transistor dans un circuit de test simple.
• Entre émetteur et collecteur, appliquer une tension de 3 à 12 volts à travers une résistance.
• Sur la base, appliquer un petit courant (quelques microampères).
• Mesurer le courant collecteur : il doit être 10 à 100 fois supérieur au courant de base. Ce rapport est le gain du transistor.
• Si le gain est inférieur à 5, le transistor est marginal. S’il est supérieur à 20, c’est un bon transistor artisanal.

Variations par climat

• En climat froid : les semi-conducteurs fonctionnent très bien. Le germanium a même de meilleures performances à basse température.
• En climat chaud : le germanium devient trop conducteur au-dessus de 75 degrés et cesse de fonctionner comme transistor. Le silicium supporte jusqu’à 150 degrés. Protéger les transistors de la chaleur directe.
• En climat humide : l’humidité dégrade les contacts et corrode les broches. Sceller hermétiquement les boîtiers.

Pièges et erreurs courantes

• Impuretés dans le cristal : la moindre impureté (un atome sur un milliard) peut ruiner un transistor. La purification est l’étape critique.
• Contacts trop éloignés : si les deux fils sont à plus de 1 millimètre de distance, l’effet transistor ne fonctionne pas. L’espacement doit être de l’ordre de 0,1 à 0,5 mm.
• Surface sale : une empreinte de doigt sur le germanium suffit à le contaminer. Manipuler avec des gants et des pinces propres.
• Formation insuffisante : sans l’impulsion de formation, les contacts ponctuels ne fonctionnent pas comme transistor. Il faut “former” chaque point de contact.
• Fragilité mécanique : les fils de contact sont extrêmement fragiles. La moindre vibration peut les déplacer et détruire le transistor. Le boîtier doit les protéger.
• Température : un transistor au germanium ne fonctionne pas correctement au-dessus de 75 degrés Celsius. Un refroidissement peut être nécessaire.

Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer

• Fabriquer un semi-conducteur
• Construire un ordinateur électronique
• Créer un réseau informatique

Notes

• Le premier transistor a été inventé en 1947 aux États-Unis par Bardeen, Brattain et Shockley. C’était un transistor à point de contact sur germanium, exactement du type décrit ici.
• Les transistors modernes sont gravés dans le silicium avec une précision nanométrique. Notre version artisanale est environ un million de fois plus grosse et moins performante, mais elle fonctionne.
• Un transistor à point de contact a un gain typique de 2 à 50. Les transistors modernes ont des gains de 100 à 1000.
• La fabrication artisanale de transistors est un défi considérable. Si on a accès à des transistors récupérés dans du matériel existant, c’est infiniment plus pratique que d’en fabriquer de zéro.
• Les transistors au germanium ont été les premiers. Ils ont été remplacés par les transistors au silicium dans les années 1960 car le silicium est plus abondant et plus stable thermiquement.
• Chaque ordinateur moderne contient des milliards de transistors. Le premier ordinateur à transistors en contenait environ 800.

Ressources externes

• Collapse OS : https://collapseos.org/ — OS conçu pour fonctionner après l’effondrement de la chaîne d’approvisionnement (incluant les semi-conducteurs).
• KiCad : https://www.kicad.org/ — Conception open source de circuits avec transistors discrets et intégrés.
• Arduino : https://www.arduino.cc/ — Microcontrôleurs open source utilisant des transistors modernes récupérés.
• Zimfarm / mwoffliner : https://github.com/openzim/mwoffliner — Archiver les wikis de référence sur la fabrication de semi-conducteurs.
• OpenStax — Semiconductor Physics : https://openstax.org/ — Manuel universitaire gratuit sur la physique des semi-conducteurs.
• Voir aussi : Ressources et Outils — Section Informatique post-effondrement