Micro et nano-electronique

4
MICRO
1.1
ET NANO-ÉLECTRONIQUE
La part de l’électronique dans les produits industriels
La part prise par l’électronique dans les produits industriels ne fait que croître d’année en année
et apporte le plus souvent aux produits un facteur de différentiation fort. Pensons à l’apport de
l’électronique dans l’automobile, la photographie, les activités de gestion des entreprises, la communication entre personnes…
Les produits sont très divers et pourtant trois fonctions principales sont réalisées par les systèmes
électroniques dans les produits :
• transporter des données d’un point à un autre ;
• effectuer des calculs à la demande de l’utilisateur ;
• opérer un contrôle-commande.
Trois exemples aident à comprendre cette classification. Un système de télévision permet de transmettre une image du studio d’enregistrement à l’écran du téléspectateur. L’écolier qui effectue une
opération à l’aide d’une calculette utilise l’électronique comme technique de calcul. Les circuits
dans une machine à laver le linge reçoivent des données et commandent des actions (chauffage,
ouverture de vannes, démarrage de moteur).
Toutes ces fonctions, et c’est la raison du succès de l’électronique, peuvent se réaliser avec un seul
composant : le transistor. Le transistor est un dispositif qui permet de commander un courant à
l’aide d’une tension appliquée. Il est analogue au robinet qui permet de régler le flux d’un liquide.
Quand l’opération est continue, on parle d’électronique analogique. Quand l’opération est du tout
ou rien, on parle d’électronique numérique. Le courant passe ou ne passe pas. L’électronique numérique qui ne connaît que deux états est donc bien adaptée au système binaire de numération.
Notons qu’une électronique à plusieurs états serait peut-être mieux adaptée à un autre système de
numération.
Le transistor n’est pas le premier composant utilisé pour faire des calculs. Les premiers ont été les
dispositifs mécaniques qui ont par exemple permis à Pascal de construire une machine à calculer.
Les métiers à tisser réalisaient avec des systèmes mécaniques des opérations de contrôle-commande
sophistiquées. Ils ont d’ailleurs inspiré l’inventeur Charles Babbage qui a imaginé le premier ordinateur faisant usage d’un programme. Cet ordinateur n’a cependant pas pu être réalisé par l’inventeur. Le relais électromécanique s’est imposé comme un composant de choix dans les applications
électriques. Il a également été utilisé comme une sorte de transistor en mode logique. Enfin, le tube à
vide a été inventé puis utilisé aussi bien en analogique qu’en logique. Le premier ordinateur appelé
ENIAC comportait des milliers de tubes de type triode pour effectuer quelques calculs. Ensuite, le
transistor est apparu et a remplacé tous les dispositifs précédents. Le transistor est particulièrement intéressant car il est de taille réduite et travaille avec des tensions électriques faibles.
La figure 1.1 montre la place de l’électronique dans tous les domaines de la vie quotidienne : au
travail, à la maison, dans les transports, dans un centre de soins, dans un lieu de loisirs.
La deuxième invention déterminante est celle du circuit intégré. Un système électronique se réalise
en interconnectant des milliers et souvent des millions de transistors entre eux. L’idée du circuit
intégré est de réaliser tous les transistors dans un même morceau de matériau et de réaliser les
interconnexions également dans cet élément appelé puce. Cette idée est attribuée à Jack Kilby en
1958. Elle permet véritablement de réaliser des systèmes électroniques à faible coût puisque les opérations de fabrication des transistors et des interconnexions peuvent être automatisées. Ajoutons à
cela qu’il est possible de fabriquer quelques milliers de circuits identiques en même temps, et on
comprend facilement pourquoi des objets aussi complexes peuvent être aussi bon marché. La
fabrication collective des circuits intégrés est représentée de manière simplifiée figure 1.2.
CHAPITRE 1 – DE
LA MICRO À LA NANO-ÉLECTRONIQUE
5
Travail
Maison
Transports
Des transistors
dans tous ces produits
Loisirs
Soins
Figure 1.1 – Des transistors dans tous ces produits.
© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.
Wafer de base
Fabrication collective
des transistors
Fabrication
collective
des interconnexions
Découpe
des puces
individuelles
Figure 1.2 – Fabrication collective des circuits intégrés.
Le matériau de base se présente sous forme d’un disque de semi-conducteur. Nous expliquerons par
la suite pourquoi le matériau de base n’est ni un isolant ni un conducteur. Le silicium s’est imposé
comme le meilleur choix. Il est en effet abondant comme matière première puisque fait à partir de
sable. D’autre part, son oxyde naturel, le dioxyde de silicium est stable.
Le disque de silicium appelé wafer est alors traité collectivement. Tous les circuits et tous les transistors des circuits sont réalisés en même temps. Il faut plusieurs étapes dans la fabrication qui sera
décrite en détail dans le chapitre 6. Ces étapes sont toutefois mises en œuvre sur tous les transistors
à la fois. Les interconnexions entre transistors sont réalisées de la même manière.
6
MICRO
ET NANO-ÉLECTRONIQUE
Pour être complet, il faut ajouter que quelques composants supplémentaires doivent également être
fabriqués collectivement car ils sont nécessaires au fonctionnement des circuits électroniques. Ce
sont les résistances, les condensateurs et les selfs. Leur nombre est cependant faible en proportion.
On comprend alors que le coût de fabrication d’un transistor diminue quand la taille du transistor
diminue et quand la taille du wafer augmente. Le coût d’une opération sur un wafer est en effet
relativement constant. Cette évolution est manifeste sur la figure 1.3 qui représente l’évolution du
coût de production d’un transistor en micro-électronique.
Le coût de 1 million de transistors en euros
100 000 €
5 000 €
500 €
100 €
30 €
5€
0,5 €
1973
1977
1981
1984
1987
1988
1995
0,05 €
0,005 €
2000
2005
Figure 1.3 – Diminution du coût d’un transistor.
Cette décroissance exponentielle du coût de production est appelée loi de Moore.
1.2
La miniaturisation et la loi de Moore
La diminution du coût d’un transistor ou d’une fonction est donc basée sur la réduction de taille
du transistor. Gordon Moore, ingénieur chez Intel, a énoncé cette évolution de la manière suivante :
le nombre de transistors intégrés sur une puce double tous les 18 mois. Cette déclaration n’est pas
une loi mais une simple observation et rien ne peut réellement expliquer la période de 18 mois.
La figure 1.4 montre la différence entre la règle de Moore et ce qui s’est véritablement passé dans
l’industrie micro-électronique.
La loi de Moore s’est finalement appliquée avec une constante de temps plus courte que celle imaginée dans les prévisions initiales. Le nœud de la technologie λ est défini comme la demi-distance
la plus petite entre deux lignes conductrices.
La figure 1.5 représente un transistor dans un circuit intégré.
Le transistor MOS est formé de deux zones conductrices appelées source et drain. Une électrode
appelée grille est placée au-dessus du dispositif et contrôle le courant qui circule de la source vers
le drain. La distance L entre source et drain est très faible et voisine du nœud de la technologie. Elle
est appelée longueur du canal. La largeur du dispositif W est petite mais supérieure à la longueur,
de deux à quelques centaines de fois λ. Elle est choisie pour procurer au transistor des propriétés
électriques satisfaisantes et est donc plus élevée que la valeur minimale autorisée par la technologie.