L’ère du tube à vide

Les études théoriques et expérimentales de l’électricité au cours des 18e et 19e siècles ont conduit au développement des premières machines électriques et au début de l’utilisation généralisée de l’électricité. L’histoire de l’électronique a commencé à évoluer séparément de celle de l’électricité à la fin du 19e siècle avec l’identification de l’électron par le physicien anglais Sir Joseph John Thomson et la mesure de sa charge électrique par le physicien américain Robert A. Millikan en 1909.

A l’époque des travaux de Thomson, l’inventeur américain Thomas A. Edison avait observé une lueur bleutée dans certaines de ses premières ampoules dans certaines conditions et avait découvert qu’un courant circulait d’une électrode de la lampe à l’autre si la seconde (anode) était chargée positivement par rapport à la première (cathode). Les travaux de Thomson et de ses étudiants, ainsi que de l’ingénieur anglais John Ambrose Fleming, ont révélé que cet effet dit d’Edison était le résultat de l’émission d’électrons par la cathode, le filament chaud de la lampe. Le mouvement des électrons vers l’anode, une plaque métallique, constituait un courant électrique qui n’existerait pas si l’anode était chargée négativement.

Cette découverte a donné l’impulsion au développement des tubes électroniques, notamment un tube à rayons X amélioré par l’ingénieur américain William D. Coolidge et la valve thermionique de Fleming (un tube à vide à deux électrodes) pour une utilisation dans les récepteurs radio. La détection d’un signal radio, qui est un courant alternatif (CA) de très haute fréquence, exige que le signal soit redressé, c’est-à-dire que le courant alternatif soit converti en courant continu (CC) par un dispositif qui ne conduit que lorsque le signal a une polarité et pas lorsqu’il a l’autre – ce que fait précisément la valve de Fleming (brevetée en 1904). Auparavant, les signaux radio étaient détectés par divers dispositifs mis au point de manière empirique, comme le détecteur à « moustache de chat », composé d’un fil fin (la moustache) en contact délicat avec la surface d’un cristal naturel de sulfure de plomb (galène) ou d’un autre matériau semi-conducteur. Ces dispositifs n’étaient pas fiables, leur sensibilité était insuffisante et il fallait constamment ajuster le contact entre le whisker et le cristal pour obtenir le résultat souhaité. Pourtant, ils étaient les précurseurs des dispositifs à semi-conducteurs d’aujourd’hui. Le fait que les redresseurs à cristal aient fonctionné a encouragé les scientifiques à continuer à les étudier et à obtenir progressivement la compréhension fondamentale des propriétés électriques des matériaux semi-conducteurs nécessaire pour permettre l’invention du transistor.

En 1906, Lee De Forest, un ingénieur américain, a développé un type de tube à vide capable d’amplifier les signaux radio. De Forest a ajouté une grille de fil fin entre la cathode et l’anode de la valve thermionique à deux électrodes construite par Fleming. Le nouvel appareil, que De Forest baptise Audion (breveté en 1907), est donc un tube à vide à trois électrodes. En fonctionnement, l’anode d’un tel tube à vide est mise à un potentiel positif (polarisation positive) par rapport à la cathode, tandis que la grille est polarisée négativement. Une forte polarisation négative sur la grille empêche les électrons émis par la cathode d’atteindre l’anode. Cependant, comme la grille est en grande partie un espace ouvert, une polarisation moins négative permet à certains électrons de la traverser et d’atteindre l’anode. De petites variations du potentiel de la grille peuvent ainsi contrôler de grandes quantités de courant anodique.

Le tube à vide a permis le développement de la radiodiffusion, de la téléphonie longue distance, de la télévision et des premiers ordinateurs électroniques numériques. Ces premiers ordinateurs électroniques étaient, en fait, les plus grands systèmes à tube à vide jamais construits. Le représentant le plus connu est peut-être l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), achevé en 1946.

Les exigences particulières des nombreuses applications différentes des tubes à vide ont conduit à de nombreuses améliorations, leur permettant de gérer de grandes quantités de puissance, de fonctionner à des fréquences très élevées, d’avoir une fiabilité supérieure à la moyenne, ou d’être rendus très compacts (de la taille d’un dé à coudre). Le tube cathodique, développé à l’origine pour afficher des formes d’ondes électriques sur un écran pour des mesures techniques, a évolué vers le tube image de télévision. Ces tubes fonctionnent en transformant les électrons émis par la cathode en un mince faisceau qui frappe un écran fluorescent à l’extrémité du tube. L’écran émet une lumière qui peut être vue de l’extérieur du tube. La déviation du faisceau d’électrons entraîne la production de motifs lumineux sur l’écran, créant ainsi les images optiques souhaitées.

Malgré le succès remarquable des dispositifs à semi-conducteurs dans la plupart des applications électroniques, il existe certaines fonctions spécialisées que seuls les tubes à vide peuvent exécuter. Celles-ci impliquent généralement un fonctionnement à des extrêmes de puissance ou de fréquence.

Les tubes à vide sont fragiles et finissent par s’user en service. La défaillance se produit en usage normal, soit par les effets du chauffage et du refroidissement répétés lors de la mise en marche et de l’arrêt de l’équipement (fatigue thermique), qui finit par provoquer une fracture physique dans une partie de la structure intérieure du tube, soit par la dégradation des propriétés de la cathode par les gaz résiduels dans le tube. Les tubes à vide prennent également du temps (de quelques secondes à plusieurs minutes) pour se réchauffer à la température de fonctionnement, ce qui constitue au mieux un inconvénient et, dans certains cas, une sérieuse limitation de leur utilisation. Ces défauts ont incité les scientifiques des Laboratoires Bell à chercher une alternative au tube à vide et ont conduit au développement du transistor.