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La microélectronique

Un peu d'histoire


En un siècle, la miniaturisation a permis le passage du tube à vide au transistor d’un micromètre carré.

Publié le 1 septembre 2010

L'histoire de la microélectronique en quelques dates

​1904 ​1948
​John Alexandre Fleming, ingénieur anglais, invente la diode. Ce premier dispositif électronique est utilisé dans les postes de radio. En 1907, Lee de Forest, chercheur américain, améliore le principe en inventant la triode.John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, trois physiciens des laboratoires Bell (Etats-Unis) réalisent le premier transistor. Fiabilité, faible encombrement, consommation réduite : la voie de la miniaturisation est ouverte. Cette découverte majeure leur vaudra le prix Nobel de physique en 1956.
​1954 ​1959
​Texas Instrument fabrique le premier transistor en silicium. En une décennie, leur taille, qui était celle d’un dé à jouer, va se réduire à celle d’un grain de sel. Mais la multiplication des fils de connexion freine le développement de circuits complexes.​Jack Kilby et Robert Noyce, deux chercheurs américains, réalisent le premier circuit intégré (six transistors). Ils ont notamment résolu les problèmes de soudure des connexions : celles-ci sont réalisées par dépôt de couches métalliques sur le silicium.
​1960 1964
Aux Etats-Unis, le lancement du programme Apollo, doté de 25 milliards de dollars, donne un formidable coup d’accélérateur aux recherches sur les calculateurs et les circuits intégrés.

Premier circuit intégré du CEA/Léti.
Premier circuit intégré du CEA/Léti



© CEA
Transistors de 1965
Diodes à vide de 1965 Transistors et diodes à vide de 1965. © CEA
1974 ​1991
​L’ingénieur français Roland Moréno invente la carte à puce.
​L’ingénieur français Roland Moréno invente la carte à puce
© CEA
Michel Bruel, chercheur au CEA/Léti, invente le procédé Improve permettant de fabriquer le silicium sur isolant « SOI » avec une productivité décuplée. Le SOI va devenir un matériau de référence pour fabriquer des circuits rapides, peu gourmands en énergie.
1996 ​2003
Le processeur Intel Pentium Pro compte 5,5 millions de transistors. Il sera suivi en 1999 d’Intel Pentium III (9,5 millions) et en 2002 d’Intel Pentium IV (55 millions), contre 2 300 transistors dans le tout premier microprocesseur Intel, le 4004 sorti en 1971.Premières productions industrielles de puces sur des tranches de silicium de 300 mm de diamètre.


La diode, premier dispositif électronique

L’histoire de l’électronique commence en 1904 avec l’invention de la diode, utilisée dans les postes de radio. Une diode, c’est un dispositif sous vide comprenant un filament émetteur d’électrons et une plaque, collectrice d’électrons lorsqu’elle est polarisée positivement (les électrons ont une charge négative). Il suffit de faire varier la tension (positive ou négative) de la plaque pour permettre ou interrompre le ­passage du courant.

Dès 1907 apparaît la triode, dans laquelle une grille est ajoutée entre le filament et la plaque. Cette grille joue le rôle de « modulateur d’électrons » : selon sa polarisation, elle les bloque ou accélère leur passage (amplification du courant).

D'où vient le mot « bug » ?

Le mot anglais « bug » peut se traduire par « insecte » ou « bestiole ». Alors, quel rapport avec les « bugs » de nos logiciels ? Très simple... Sur l’ENIAC, premier calculateur automatique au monde mis au point en 1946 à l’université de Pennsylvanie, l’une des grandes causes de panne était l’atterrissage de petits papillons sur les connexions électriques. Celles-ci étaient d’autant plus nombreuses que l’ENIAC était un monstre de 30 tonnes, occupant 72 m2 au sol et comptant plus de 17 000 tubes à vide. C’est ainsi que les bugs ont fait leur entrée dans le monde de l’informatique.


Laboratoire de recherche technologique des années 1980
Laboratoire de recherche technologique des années 1980. © CEA

circuit
© CEA
Dans les années 1940, les triodes et autres tubes à vide sont utilisés dans les tout premiers ­ordinateurs pour calculer plus rapidement qu’à la main. Les nombres et les opérations sont codés en mode binaire, à l’aide de 0 ou de 1 : par exemple, le 1 correspond au passage du courant électrique, le 0 à son blocage. Mais pour effectuer des calculs complexes, demandés par exemple par les physiciens, il faut ­multiplier les tubes à vide ; or ceux-ci sont volumineux, chauffent beaucoup et « claquent » facilement. Ce manque de fiabilité freine le développement de l’informatique.


Du transistor au circuit intégré

En 1948, John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, trois physiciens américains inventent le transistor bipolaire et ouvrent ainsi l’ère de la microélectronique.
Le transistor bipolaire comprend un émetteur d’électrons, un collecteur et un dispositif de modulation appelé base. Le déplacement des électrons ne s’effectue plus dans le vide mais dans un matériau solide, le semi-conducteur dont on contrôle la capacité à conduire les courants d’électrons. La fiabilité est considérablement améliorée.

De plus, le transistor est moins encombrant que le tube à vide. Et en quelques années, sa taille va passer de celle d’un dé à jouer à celle d’un grain de sel ! Il est utilisé dans de nouveaux postes de radio auxquels il donne son nom, et dans des ordinateurs.

Pourtant, un nouvel obstacle se dresse rapidement : plus les transistors sont nombreux, plus il faut de fils de cuivre soudés pour les interconnecter, d’où un risque de panne élevé. En 1959, l’invention du circuit intégré résout le problème. Les transistors sont réalisés directement à la surface du silicium, leurs connexions sont fabriquées par dépôt de couches métalliques sur cette surface.
Rien ne s’oppose plus à la fabrication de dispositifs toujours plus complexes, associant transistors, diodes, résistances et condensateurs. Le tout premier circuit intégré compte six transistors. Par la suite, ces dispositifs ne cesseront de se miniaturiser et de se densifier.


Avec le transistor, les électrons circulent dans un matériau solide et non plus dans le vide.


Les circuits intégrés actuels

En 2005, un microprocesseur (le circuit intégré le plus complexe) est un morceau de plaque de silicium carré d’environ 2,5 cm de côté. Il peut comporter plusieurs centaines de millions de composants. Il est enfermé dans un boîtier protecteur muni de « pattes » (d’où le nom de « puce ») pour assurer les connexions avec les autres organes de l’appareil dans lequel il s’insère.

La plupart des transistors sont des MOS (pour Métal, Oxyde, Semi-conducteur), une technologie développée dans les années 1970 : elle permet de réaliser des transistors qui consomment moins et de faciliter l’intégration des résistances, autres composants importants des circuits intégrés.

Comment fonctionne un transistor MOS ?

Fonctionnement d'un transistor MOSFonctionnement d'un transistor MOS
​ ​© Yuvanoé/CEA

​Un transistor MOS comprend une source et un drain, entre lesquels les électrons peuvent circuler via un canal de conduction. Ce canal fonctionne comme un interrupteur, en fonction de la charge électrique de la grille.
Selon la polarité de cette grille, le canal de conduction est ouvert ou fermé.
La performance du transistor dépend principalement de la taille de la grille : plus celle-ci est petite, moins les électrons ont de chemin à parcourir dans le canal, plus le système est rapide.



La taille des circuits intégrés augmente régulièrement. Celle des plaques de silicium sur lesquelles ces circuits sont fabriqués augmente également, pour faire tenir un même nombre de puces sur chaque plaque. Ces vingt dernières années, l’industrie microélectronique a utilisé successivement des lingots de silicium de 100 mm de diamètre, puis 200 mm, puis 300 mm.
Le silicium n’est pas utilisé à l’état pur : il est « dopé » par l’ajout en très faibles quantités d’ions étrangers (arsenic, bore, phosphore) qui guident et facilitent le passage du courant.

Le circuit peut être gravé dans du silicium massif ou sur une couche mince de quelques centaines de nanomètres déposée sur un isolant : le SOI, qui permet de réaliser des circuits plus rapides et moins gourmands en énergie, est de plus en plus utilisé. Le meilleur procédé de fabrication a été inventé en 1991 par un chercheur du CEA.