MICROÉLECTRONIQUE

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Trois moteurs : le transistor, le circuit intégré et le microprocesseur

Le transistor, un interrupteur quasi parfait (1947-1960)

L'idée d'interrupteur (relais électrique) solide commandé par une tension électrique appliquée remonte au début du xxe siècle, avec des brevets décrivant correctement le fonctionnement du transistor à effet de champ dès 1923 (fig. 1a). Cet effet « transistor », c'est-à-dire le contrôle d'un courant à travers un morceau de matériau semiconducteur par une tension appliquée sur une grille de commande, a cependant nécessité de longs travaux durant les années 1930 et 1940. Il a fallu maîtriser la purification des semiconducteurs, contrôler l'incorporation de dopants et, plus fondamentalement, mieux comprendre les barrières d'énergie qui existent au sein des semiconducteurs dopés de manière inhomogène ou bien aux interfaces métal-semiconducteur. Des études ont également été menées sur les effets de surface qui étaient alors mal maîtrisés et tendaient, à l'origine, à masquer tous les autres phénomènes.

Microélectronique : transistor à effet de champ.

Dessin : Microélectronique : transistor à effet de champ.

Transistor à effet de champ. En a, principe de fonctionnement d'un transistor à effet de champ. Le passage de courant dans un « canal » conducteur est contrôlé par un champ électrique appliqué par une électrode (la « grille ») placée au-dessus du canal. Ce dernier est constitué... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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C'est par une démarche délibérée de recherche d'un tel relais solide que les laboratoires Bell d'American Telephone and Telegraph (A.T.T.), alors monopole des télécommunications américaines, se sont lancés dans l'exploration du transistor dès 1936. Leur analyse prospectiviste montrait que l'accroissement du trafic téléphonique serait tel que les réseaux seraient constamment en panne vu leur taille et la mauvaise fiabilité des commutateurs de l'époque, qu'ils soient à relais électromécaniques ou à tubes à vide. Il fallait des interrupteurs hautement fiables fondés sur un nouveau concept physique. Le transistor a donc été inventé dans une entreprise de télécommunications grâce à un programme de recherche fondamentale de très grande ampleur puisqu'il a fallu comprendre complètement nombre de nouveaux phénomènes en physique et en chimie concernant les matériaux semiconducteurs.

Le premier transistor, dit transistor « à pointes », inventé en 1947 par les Américains John Bardeen et Walter H. Brattain, utilisait des pointes métalliques pressant un morceau de semiconducteur, en l'occurrence du germanium. Notoirement instable, il ne fut pratiquement pas produit. Un bien meilleur concept de transistor, le transistor à jonctions ou transistor bipolaire, fut inventé peu après par William B. Shockley et mis au point en 1952. C'est cependant un troisième type de transistor, le transistor à effet de champ (fig. 1), qui est de loin le plus utilisé aujourd'hui (plus de 99 p. 100 des transistors) à cause de sa simplicité de fabrication et de sa faible consommation électrique. Il est devenu opérationnel qu'en 1960 tant son utilisation demandait la maîtrise préalable des propriétés de surface. Son principe est simple : la conductivité d'un canal semiconducteur situé entre deux électrodes, source et drain, est commandée en appliquant une tension sur une électrode de grille située au-dessus du canal. Cette tension crée un potentiel électrostatique qui attire les électrons dans le canal ou les repousse hors du canal suivant le signe du potentiel appliqué et le mode de fonctionnement du transistor choisi (respectivement, en « accumulation » ou en « déplétion »). Afin d'obtenir un interrupteur parfait, qui ne « fuie » pas entre l'électrode de commande (la grille) et le canal conducteur, un matériau isolant est placé entre le canal et la grille (fig. 1b). Pour empêcher le courant de passer lorsque aucune tension n'est appliquée à la grille, des impuretés chimiques choisies sont introduites, de manière localisée, dans le semiconducteur (phénomène de « dopage » du semiconducteur). Plus précisément, on dope de manière différente le canal et les régions situées sous les électrodes source et drain, avec des atomes dits « donneurs » ou « accepteurs » d'électrons, respectivement. Ayant donné ou accepté un électron, ces impuretés deviennent chargées électriquement et vont créer des barrières d'énergie potentielle pour les électrons du silicium, barrières essentielles pour obtenir un fonctionnement en transistor. Le courant pourra passer lorsque la tension de grille aura suffisamment abaissé l'énergie potentielle des électrons dans le canal, entre les électrodes source et drain, ce qui permettra d'y faire arriver des électrons (fig. 1c). Il y a amplification par le transistor parce que le courant ou la tension commandés entre les électrodes source et drain sont bien supérieurs à ceux qui sont appliqués à la grille et qui servent à les obtenir.

Le circuit intégré (1958-1959)

Le circuit intégré n'est pas un concept aussi fondamental que le transistor : son invention résulte de l'association d'éléments déjà connus, sinon maîtrisés, en réponse à un besoin pratique. Jacques Kilby a décrit son système dans un brevet et des conférences et non dans des revues scientifiques.

Comment est-il né ? Dès sa mise au point, le transistor a remplacé le tube à vide dans les appareillages électroniques et les ingénieurs ont mis en œuvre ses remarquables propriétés : conception de très grands systèmes grâce à la petite taille des composants, à leur meilleure fiabilité et surtout à leur faible consommation énergétique. Cette course à la miniaturisation est suscitée par des besoins, comme ceux des grands centraux téléphoniques, des très grands ordinateurs ou encore ceux des militaires de disposer d'électronique « portable » pour les communications, les missiles ou les satellites.

Pour toutes ces applications, on tente d'assembler, de façon compacte, le plus grand nombre possible de composants (résistance, diode, condensateur, transistor, inductance) par des techniques dites « hybrides » : chaque composant est fabriqué dans un matériau différent et tous les composants sont ensuite reliés, mécaniquement et électriquement, par d'autres matériaux encore. Cette approche hybride rencontre toutefois une limitation importante. Tandis que la fiabilité des transistors a beaucoup augmenté, celle des soudures des fils, qui assurent la liaison électrique entre ceux-ci, plafonnent. Devra-t-on se contenter de circuits comportant au mieux quelques centaines de composants qui ne nécessiteraient que quelques milliers de soudures ?

Microélectronique : connectique

Photographie : Microélectronique : connectique

Détail des interconnexions métalliques d'un circuit intégré. Cette complexité de la connectique tridimensionnelle à petite échelle donne au circuit toute sa fonctionnalité. 

Crédits : IBM

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Quelques visionnaires proposent alors de fabriquer tous les composants électroniques avec un seul matériau, le semiconducteur, qui servirait aussi de support, d'où le terme de circuit intégré « monolithique » (une seule pierre). Kilby, de la société Texas Instruments, conçoit, en mai 1958, une méthode pour réaliser les différents éléments de circuits (résistances, condensateurs et transistors) par attaque chimique localisée du germanium. La composition chimique verticale du germanium (du fait de l'incorporation, lors de la croissance du cristal de germanium, des impuretés chimiques qui dopent la [...]

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Microélectronique : transistor à effet de champ.

Microélectronique : transistor à effet de champ.
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Microélectronique : connectique

Microélectronique : connectique
Crédits : IBM

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Microprocesseur : le Pentium. 4

Microprocesseur : le Pentium. 4
Crédits : Intel .

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Microprocesseur

Microprocesseur
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  • : directeur de recherche émérite au C.N.R.S., École polytechnique, Palaiseau, professeur au Materials Department de l'université de Californie à Santa Barbara

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Pour citer l’article

Claude WEISBUCH, « MICROÉLECTRONIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/microelectronique/