Vous êtes ici : Accueil > Découvrir et Comprendre > Les thèmes > La microélectronique

Livret thématique | Dossier multimédia | Nouvelles technologies | Micro-nanoélectronique

La microélectronique

L'histoire de la microélectronique


​En un siècle, la miniaturisation a permis le passage du tube à vide au transistor sur matériau solide d'un micromètre carré. Parallèlement, le passage du signal analogique (à variation continue) au signal numérique (codé en une succession de 0 et de 1) a facilité le développement de circuits électroniques aux fonctions de plus en plus performantes. 

Publié le 18 octobre 2018

​NAISSANCE DES COMPOSANTS

De la résistance au transistor, du circuit intégré simple au microprocesseur complexe en passant par les convertisseurs ou les diodes électroluminescentes… les composants de la microélectronique sont nombreux et remplissent des fonctions variées.

De la diode à la triode

En 1904, John Alexandre Fleming, ingénieur anglais, invente la diode, un dispositif sous vide comprenant un filament émetteur d’électrons et une plaque, collectrice d’électrons lorsqu’elle est polarisée positivement. Ce dispositif laisse passer le courant électrique dans un seul sens et le bloque dans l’autre. Il suffit de faire varier la tension (positive ou négative) de la plaque pour permettre ou interrompre le passage du courant. 

Ce premier dispositif est utilisé dans les postes de radio. Il existe de nombreuses variétés de diodes, selon les propriétés des matériaux utilisés. Les diodes électroluminescentes (Leds) sont désormais largement utilisées pour produire de la lumière en consommant très peu d’énergie. 

En 1907, Lee de Forest, chercheur américain, améliore le principe en inventant la triode dans laquelle une grille est ajoutée entre le filament et la plaque. C’est le premier système amplificateur d'un signal électronique. Elle se compose d’une cathode  semi-conductrice à chaud, émettrice d’électrons, d’une anode  réceptrice, et d’une grille positionnée entre les deux. Celle-ci joue le rôle de « modulateur d’électrons » : selon sa polarisation, elle les bloque ou accélère leur passage (amplification du courant).

Dans les années 40, les triodes et autres tubes à vide sont utilisés dans les tout premiers ordinateurs. Plus les calculs à effectuer sont complexes, plus le besoin de tubes à vide est grand. Or, ceux-ci sont volumineux, chauffent beaucoup et « claquent » facilement. Ce manque de fiabilité freine le développement de l'informatique.

Principe de fonctionnement de la triode

Principe de fonctionnement de la triode © CEA/Yuvanoé




L'ère du transistor

En 1948, John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, trois physiciens américains, inventent le transistor bipolaire et ouvrent ainsi l'ère de la microélectronique. Il 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, semi-conducteur, qui permet de contrôler le courant électrique (l'interrompre, l'amplifier ou le moduler). Ce transistor a supplanté rapidement le tube électronique : démarrant quasi instantanément, sans temps de chauffe, beaucoup plus petit et léger. Les transistors sont réalisés directement à la surface du silicium, leurs connexions sont fabriquées par dépôt de couches métalliques. Ils ont pu être fabriqués industriellement dès les années 50. Rapidement, leur taille va passer de celle d'un dé à celle d'un grain de sel !


Circuit imprimé et circuit intégré

Un circuit est un assemblage de composants. Il est appelé « circuit imprimé » lorsqu'il est fabriqué par dépôts de matériaux conducteurs sur des matériaux isolants (exemple : du cuivre  sur l'époxy) comme dans le cas de la carte mère des ordinateurs. Il est appelé « circuit intégré » lorsqu'il rassemble, plusieurs composants permettant de réaliser différentes fonctions. Dans les années 70, une technologie est développée permettant de réaliser des transistors qui consomment moins et de faciliter l'intégration de composants passifs (résistances, capacités) sortant des circuits intégrés. La taille des circuits augmente régulièrement ainsi que celle des plaques de silicium, qui passent de 200 à 300 mm de diamètre. Dans le même temps, la taille des transistors diminue.

Ils peuvent être gravés dans du silicium massif ou sur une couche mince de quelques centaines de nanomètres déposée sur un isolant ; le SOI (silicium sur isolant) permet de réaliser des circuits plus rapides et moins gourmands en énergie.


Le tout sur une puce

Cette petite pastille de silicium supporte un circuit intégré. L'accroissement exponentiel du nombre de transistors par puce, aussi appelé « loi de Moore », a entraîné une nouvelle révolution industrielle, en liaison avec le développement des logiciels et des communications.  Début des années 2000, un microprocesseur (le circuit intégré le plus complexe) est une puce en silicium 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. 


DES COMPOSANTS À MATURITÉ 

L'omniprésence des CMOS et du FDSOI 

Les premiers dispositifs MOS (Metal Oxide Semiconductor) apparaissent dans les années 60. Aujourd'hui, le transistor MOS constitue, grâce à sa simplicité de fabrication et à ses dimensions réduites, l'élément fondamental des circuits intégrés numériques. 

Le développement des composants CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) industriels a été rendu possible par les progrès enregistrés dans le domaine des transistors bipolaires, en particulier la résolution des problèmes d'interface oxyde-semiconducteur. Sur un substrat de silicium faiblement dopé , un circuit CMOS est constitué de transistors nMOS et pMOS, placés de manière symétrique et interconnectés par des fils métalliques. Chaque transistor MOS ayant la même fonction, l'un est passant tandis que l'autre est bloquant, ils sont complémentaires.  


Comment fonctionne un transistor MOS ?

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.


Transistor conducteur
Fonctionnement d'un transistor conducteur © Yuvanoé/CEA


Dans la technologie FDSOI (Fully Depleted - Silicium On Insulator ou Transistor entièrement deplété sur silicium sur isolant), une très fine tranche de silicium est collée sur une fine couche d'oxyde de silicium isolant. Le substrat de silicium ne nécessite plus d'être dopé. Les performances du transistor sont augmentées en appliquant une tension sur sa face arrière. La combinaison de cette tension et de la couche d'isolant agit alors comme une seconde grille. 

Transistor FDSOI

Le transistor FDSOI © F. Mathé/CEA

En fonction des tensions relatives appliquées sur les faces avant et arrière du transistor, ses propriétés peuvent être modifiées et améliorées : il est soit très peu gourmand en énergie (30 à 40 % moins énergivore), soit très rapide (25 % plus rapide). Le FDSOI équipe déjà des téléphones et des montres intelligentes et s'annonce incontournable pour l'électronique mobile, la voiture autonome ou encore l'Internet des objets. Le CEA-Leti développe aujourd'hui encore de nouveaux substrats et composants FDSOI. Il étudie également des structures de transistors originales comme le transistor SET (Single Electron Transistor) ou les transistors à nanofils de semi-conducteurs. 


Zoom sur la loi de Moore

Des composants de plus en plus petits, de moins en moins chers.


Durant les années 70, Gordon Moore, un des cofondateurs de la société Intel et inventeur du premier microprocesseur (Intel 4004, en 1971), prédit le doublement de la densité des puces électroniques tous les deux ans. Depuis cette époque, chercheurs et industriels de la microélectronique suivent donc scrupuleusement une « feuille de route » qui établit avec précision des objectifs de réduction de taille des transistors. Les progrès constants qu'ils ont réalisés, associés à une production massive, ont permis de réduire radicalement les coûts des composants microélectroniques et donc de tous les produits qui y ont recours : ordinateurs, smartphones, téléviseurs, caméras, appareils photos... Cette loi, qui prévoyait une miniaturisation continue, touche néanmoins à sa fin et laisse place au « More than Moore », une approche axée sur les fonctions (par exemple électro-optiques ou électromécaniques), et au « beyond CMOS » qui explore les propriétés de nouveaux matériaux, de nouvelles structures de transistors, d'architectures de circuits, ou de modes de fabrication.

Loi de Moore
Représentation graphique de la loi de Moore. © Yuvanoe/CEA