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Histoire de l’électronique Yves Fournier 01/12/2014 1 Définition(s) de l’électronique • Mot forgé après sa naissance (1904) • Généralement associé aux courants faibles • Mise en œuvre de la conduction dans le vide, les gaz et les semi-conducteurs • Maitrise du flux d’électrons • Porteuse d’information (numérique) • Gère les interfaces homme/système – Entrées: homme, capteurs – Sorties: son, images, mouvements • Complément de l’électrotechnique (courants forts) 01/12/2014 2 Importance historique de l’électronique • • • • • Technologie omniprésente dans notre monde actuel Largement incomprise du grand public Facteurs historiques d’émergence très divers Beaucoup plus vitale que l’on ne pense A joué un rôle capital dans tous les conflits du XX ème siècle même en 1914 • Substrat de la révolution numérique • Largement d’origine anglo-saxonne 01/12/2014 3 Les sources variées au XIXème siècle • Compréhension progressive de la structure de l’atome • Lois de l’électromagnétisme • Observations isolées de phénomènes « électroniques » non expliqués • Développement du télégraphe • Tube de Crookes • Courants alternatifs • Découverte de l’électron 01/12/2014 4 Prééminence de la théorie atomique à la fin du XIXème siècle • Electrolyse de Faraday: les liaisons internes des éléments sont de nature électrique • Tableau périodique des éléments (1869) • Basculement de la théorie de la matière continue vers la théorie atomique vers les années 80 01/12/2014 5 Théorie électromagnétique 01/12/2014 • Loi d’Ampère – électrodynamique (1820) • Intuition des électrons • Loi de Gauss – électromagnétisme (1831) • Faraday – Induction électromagnétique (1831) • Equations de Maxwell (1873) • Synthèse mathématique de toutes les lois sur l’électricité et le magnétisme • Théorie des ondes électromagnétiques prouvées 20 ans 6 après Observations de phénomènes inexpliqués • • • • • • • • • • Phénomène photosensibilité avec le sélénium (1851) Rayons cathodiques (1869) Phénomène de redressement avec la galène (1875) Bouteille de Leyde (1875) Effet Edison (1882) Eclateur de Hertz (1888) Bobine de Tesla (1892) embryon de la radio Cellule photoélectrique (1895) TSF – Marconi (1895) Découverte de l’électron – Thomson (1897) 01/12/2014 7 Développement du télégraphe électrique • Samuel Morse (1844) Magnetic Telegraph Company (1845)Western Electric (1851) • Le répéteur • Développement rapide des réseaux terrestres • Puis réseaux transatlantiques par câbles sous-marins • Développement des grandes compagnies de télégraphe • Idée de transmettre les impulsions sans fil • Idée de transmettre la voix sans fil 01/12/2014 8 Développement du téléphone • Précurseurs Antonio Meucci (1854) Philipp Reis (1861) • Elisha Gray et Graham Bell (1876) • Edison microphone (1876) • Emile Berliner (1877) • Western Union téléphone commercial (1878) • Développement des grandes compagnies téléphoniques (ATT) • Répéteurs avec amplificateurs à lampes (1915) 01/12/2014 9 Tube de Crookes • • • • • • Tube de Geissler (1857) (tube néon) Tube de Crookes (1869-75) Tube cathodique de Braun (1897) Nobel 1909 Maîtrise des traversées des connexions électriques Maîtrise des vides poussés (Langmuir) Nobel 1932 Tube à cathode froide 01/12/2014 10 Courants continus • Seule source d’électricité dynamique depuis la pile de Volta (1802) • Accumulateurs • Développement de l’électrotechnique (dynamos) • Seule véritable application jusqu’en 1879: télégraphe • Invention de l’ampoule électrique (Edison 1879) • Maitrise de plus en plus poussée qui permet le développement des lampes électroniques 01/12/2014 11 Nikola Tesla (1856-1943) • Ingénieur électromécanicien formé à Graz, Prague et Budapest. Très inventif • Doué pour les langues • 1882 Continental Edison Paris • 1884 Edison Works New York. Rupture • 1886 Tesla Electric. Licencié par actionnaires • 1887 Labo recherche financé par Western Union • 1888 Construction et brevet moteur synchrone (AC) • 1889 Support par Westinghouse • Guerre des courants • 1891 Bobine de Tesla • 1891 Démonstration transmission énergie à distance • 1897 Cession licence à W pour 216 000 $ 01/12/2014 12 Nikola Tesla (1856-1943) • 1894-1896 Travaux sur Rayons X (bremsstrahlung) • 1898 Radio commande de bateau • 1898 Essais de transmission sans fil • 1899 Colorado Springs • 1900 Wardenclyffe • 1906 Turbine sans ailettes (ou pompe) • Vit à l’hôtel jusqu’à la fin de sa vie tout en continuant ses recherches multiples 01/12/2014 13 Courants alternatifs • Nikola Tesla (1856-1943) • Potentialités du courant alternatif – – – – Transport sur longues distances Transmissions énergie sans contact Moteurs sans balais (synchrone) Courants polyphasés 01/12/2014 14 Batailles juridiques • Les Etats Unis ont été le siège de féroces batailles juridiques sur l’antériorité des brevets • Téléphone Gray/Bell (Priorité Bell annulée par Cour Suprême en 2002 en faveur de Meucci) • Microphone Berliner/Edison • Radio Marconi/Tesla/De Forest/Braun (Priorité Marconi annulée par Cour Suprême en 1943) • Lampes De Forest/ATT/Armstrong 01/12/2014 15 Découverte de l’électron Joseph John Thomson (1897) Déviation par champ électrique Mesure du rapport charge sur masse par champ magnétique Rayons cathodiques chargés électriquement 01/12/2014 Nobel 1906 16 Développement de la radio 01/12/2014 • Bobine de Hertz (1886) mise en évidence ondes électromagnétiques • Générateur HF Bobine de Tesla (1889) • Radioconducteur (cohéreur) de Branly (1890) • Antenne Popov (1893) • Première transmission sans fil Marconi (1895) Nobel 1909 • Fessenden première transmission de la voix (1900) • Diode à pointe Braun (1898) • Récepteur électrolytique Ferrié (1903) • Récepteur à Quartz Pickard et Dunwoody (1906) 17 Guglielmo Marconi (1874-1937) 01/12/2014 • Fils d’un aristocrate italien et d’une aristocrate irlandaise • Intérêt précoce pour la physique et les travaux de Hertz • Premier travaux sur la radio pas d’intérêt des autorités italiennes (1895) • Emigre et s’installe en Angleterre avec sa mère (1896) • Marconi Company (1897) • Transmissions transatlantiques (1902) • Nobel (1909) avec Braun • Titanic (1912) • Débuts de la BBC (1920) • Responsable radio militaire italienne en 1914 • Fasciste (1923) 18 • Président Académie des Sciences italienne (1930) Eugène Ducretet (1844-1915) • Concepteur et fabricant d’instrument de physique • Tubes à rayons X • Générateurs haute fréquence • Premier essai TSF entre Tour Eiffel et Panthéon (1898) • Matériel de TSF DucretetPopov 01/12/2014 19 La diode • • • • • 01/12/2014 Effet Edison (1882) Fleming (1904) lampe diode à cathode chaude Marconi Company Redresseur de courant Détection des ondes radio 20 La triode et ses perfectionnements • Lee de Forest (1906) Triode • Introduction d’une grille entre l’anode et la cathode • La variation de la tension dans la lampe en fonction de la tension de grille présente une partie linéaire à forte pente • Amplificateur de tension • Oscillateur de première génération (émetteur radio) • Ajout de grilles supplémentaires (pentode , heptode) • Chauffage indirect de la cathode (filament) 01/12/2014 21 Lee De Forest (1873-1961) • • • • • Premières expériences radio en 1899 (Illinois) Compétition avec Marconi (1901) Invente la triode et ses avatars (Audion) 1906 Inventeur du mot radio et de la radiodiffusion Vend son brevet à ATT (1913) et le rachète en 1917! • Bataille contre Armstrong (1917) réaction et superhétérodyne • Invente publicité radio, transmission de concerts et campagne électorale radio • Ancêtre du cinéma parlant (1919) 01/12/2014 22 L’industrie française des tubes • Henri Abraham (18681943) • Eugène Bloch (18771944) • Lampes Grammont • Yves Rocard (1903-1992) 01/12/2014 23 Les tubes redresseurs commandés • Ignitron (Westinghouse 1930 traction électrique) vapeurs de mercure • Thyratron (Langmuir 1928) vapeurs d’argon 01/12/2014 24 Les tubes hyperfréquences • Magnétron (Randall et Boot 1940) • Système de chauffage micro ondes Spencer (1946) Raytheon • Emission radar • Klystron Russel et Sigurd Varian (1937) • Emetteurs radio grande puissance 01/12/2014 25 Autres tubes • Photomultiplicateurs (1934 RCA) • Recherches pour augmenter la sensibilité des premières caméras de télévision 01/12/2014 26 Les applications des lampes • • • • • • Détection des ondes radio Amplificateurs Oscillateurs Portes logiques Redresseurs commandés (thyratrons) Générateurs HF (magnétrons, klystrons) 01/12/2014 27 Les applications des lampes • Afficheurs (tube cathodique pour oscilloscope et télévision) • Tubes pour caméras (Plumbicon) 01/12/2014 28 Les composants passifs • Resistances – Fixes – Variables (rhéostats) – Thermistances 01/12/2014 29 Les composants passifs • Capacités – – – – 01/12/2014 Condensateurs film mince Condensateurs Electrolytiques Condensateurs au tantale Condensateurs variables 30 Les composants passifs • Inductances (self) – – – – 01/12/2014 Transformateurs A noyau d’air A noyau métallique Toriques 31 Les composants d’entrée-sortie • Haut parleurs • Microphones – A capsule – Electrodynamiques – Electrets • Afficheurs – – – – 01/12/2014 A tubes (Nixie) A diodes électroluminescentes (Leds) A cristaux liquides Tube cathodique (oscilloscope, télévision) 32 Les circuits électroniques • • • • • • • • 01/12/2014 Assemblage sur châssis Lampes avec connecteurs Raccordements par fils Encombrement , blindage et refroidissement Fiabilité Circuits imprimés Soudage à la vague Idée d’intégration (1959) Jack Kilby Nobel 2000 33 Economie de l’électronique Première moitié du XXème siècle • Les inventions ne se diffusent que si elles rencontrent un marché • Les lampes ont trouvé leur débouché avec la TSF, la radio et les amplificateurs • Le téléphone a également joué un rôle essentiellement pour les répéteurs • Avant la seconde guerre, les industries restent pour l’essentiel nationales 01/12/2014 34 La première guerre mondiale • Tour Eiffel sauvée par Colonel Ferrié (TSF) • Influence des écoutes françaises sur le déroulement de la bataille de la Marne (sept 1914) • Radiologie sur champ de bataille 01/12/2014 35 Foisonnement des recherches dans l’entre deux guerres • Fuite des savants allemands juifs aux Etats Unis • Importance des laboratoires de la Bell Company (7 Nobel) – – – – – – Télévision (Ives 1928) Radioastronomie (Janski 1931) Stéréophonie (1932) Synthèse vocale (Dudley 1937) Diffraction des électrons (Davisson 1937 NB) Cellule photovoltaïque (Ohl 1940) 01/12/2014 36 Deuxième guerre mondiale • Le radar (à partir de 1935 Watson-Watt – magnétron) • Le sonar (piézoélectricité Langevin 1917) • La radio goniométrie • Le radioguidage • Embryon des ordinateurs • Le décryptage automatique (Colossus 1943) • Le talkie walkie 01/12/2014 37 Renaissance des semiconducteurs 01/12/2014 • Connus depuis la fin du XIXème • Sélénium, Galène (PbS) • Besoin de fiabilité (répéteurs téléphoniques) • Théorie du fonctionnement des semiconducteurs (Bloch) • Bande de valence • Bande de conduction • Dopage n et p • Méthode de production des lingots monocristallins • Purification par zone fondue 38 (Pfann 1932) Le transistor • William Shockley (1910-1989) • Walter Brattain (1902-1987) • John Bardeen (1908-1991) Nobel 1956 et 1972 (supraconductivité) • Transistor bipolaire inventé en 1947 aux Bell Labs • Nobel 1956 • Transistor à jonction (1949) • Transistor à effet de champ (1952) • Raytheon industrialisation (1950) 01/12/2014 39 Les circuits intégrés • Jack Kilby (1958) Texas Instruments • Nobel 2000 • Tous les composants gravés par photo lithogravure • Fiabilité • Coûts • Isolation circuit Lehovec (1959) • Métallisation Robert Noyce (19591964) 01/12/2014 40 Les circuits intégrés Schockley Moore Hoerni Faggin 01/12/2014 • Les « 8 traitres » quittent Schockley et fondent Fairchild (1959) • Gordon Moore prend le ledership • Jean Hoerni planar (1960) • Commandes militaires et NASA • Circuits logiques TTL (1965) • Guerre des brevets (62-66) • CMOS Federico Faggin (1968) • A l’origine du premier microprocesseur (4004 Intel) wafer 41 Les circuits intégrés • Semiconductor • • • • • • • • • • • • • • • • • • manufacturing processes 10 µm – 1971 3 µm – 1975 1.5 µm – 1982 1 µm – 1985 800 nm – 1989 600 nm – 1994 350 nm – 1995 250 nm – 1997 180 nm – 1999 130 nm – 2002 90 nm – 2004 65 nm – 2006 45 nm – 2008 32 nm – 2010 22 nm – 2012 14 nm – 2014 10 nm – 2016 7 nm – 2018 5 nm – 2020 01/12/2014 • Augmentation rapide du nombre de composants • Loi de Moore (doublement tous les 18 mois) • Technologie CMOS 42 Foisonnement des applications • • • • • • • Microprocesseurs Circuits annexes Mémoires RAM Mémoires flash Processeurs graphiques Circuits analogiques Circuits spécialisés (ASIC) 01/12/2014 • • • • • • • • • Informatique Téléphonie mobile Télévision Réseaux informatiques Capteurs GPS Mesures physiques Automation industrielle Contrôleurs disques durs 43 Les sociétés de microélectronique • Classement 2013 • Montée rapide de Micron (DRAM) • Fusions acquisitions • Plafonnement d’Intel 01/12/2014 44 Les microprocesseurs • Idée de rassembler sur une même puce tous les composants de l’unité de calcul centrale (CPU) 1968 • Premier microprocesseur 4004 Intel (1971) (4 bits) • Complexification croissante du fait des possibilités techniques d’intégration • Compétition Intel, Motorola, Zilog • 8,16,32 et 64 bits • Augmentation des fréquences d’horloge • Multi-cœurs 01/12/2014 45 Les microprocesseurs 01/12/2014 46 Les mémoires magnétiques • Ruban magnétique • Mémoire à tore de ferrite • Mémoires à bulles magnétiques • Disquettes • Disques durs – Conventionnels – Winchester – Magnéto Resistance Géante 01/12/2014 47 Autres applications de l’électronique • • • • • 01/12/2014 Mémoires électroniques Thyristors et triacs Capteurs Ultrasons et sonars Masers et Lasers 48 Les mémoires électroniques • ROM (1956) • RAM – Mémoire à accès aléatoire • • • • SRAM (statique) DRAM Dennard (1968) EEPROM Perlegos (1986) Flash Masuoka (1980) – Intel 1988 01/12/2014 49 Les thyristors et triacs • Inventé par Gordon Hall (GE) 1956 • Contrôle de l’intensité d’un courant alternatif • Alimentations stabilisées • Commande moteurs à vitesse variable • Utilisé dans les lignes à haute tension CC (France Angleterre) • Transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) depuis les années 90 01/12/2014 50 Les capteurs • Diodes laser – Lecture DVD • Cellules photo électriques – Détection de niveau lumineux • CCD (Bell Labs – 1969) – Appareils photo numérique • Pression, température – Contrôle de processus • Accéléromètres – Airbags, tablettes 01/12/2014 51 Piézoélectricité : Les ultra sons et les sonars • • • • • • 01/12/2014 Découverte par Pierre et Jacques Curie (1880) Fessenden - sonar (1912) Naufrage du Titanic (1912) Lutte anti-sous-marine première guerre Boyle – Wood ASDIC (1916) Contrôle ultra sons 52 Les masers et lasers • Existence théorique prévue par Einstein (1917) • Maser – – – – Townes, Basov and Prokhorov Nobel 1964 Premier maser ammoniaque (1953) Maser à hydrogène (étalon de fréquence pour les horloges) « Rayon de la mort » • Laser – – – – – Méthode de pompage optique Kastler (1950) Nobel 1966 Brevet Gould (1959) Maiman premier laser (1960) Hall Diode laser (1962) Très nombreuses applications • • • • • 01/12/2014 Découpe et soudure Chirurgie Impression Nettoyage Métrologie 53 Microscopie électronique • • • • • Lentille électronique Hans Busch (1926) Microscope Ruska et Knoll (1931) Balayage von Ardenne (1937) Siemens Vaste domaine d’applications – Etudes de surface – Biologie – Zoologie – Nanotechnologies 01/12/2014 54 Autres applications diverses • • • • • Robotique Impression laser Reconnaissance et synthèse de la parole Supraconductivité Cellules photovoltaïques 01/12/2014 55 Spintronique • • • • Découverte par Albert Fert et Peter Grünberg (1988) Nobel 2007 Magnéto Resistance Géante Augmentation spectaculaire de la capacité des disques durs Première réalisation IBM 1997 01/12/2014 56 Les sociétés établies • IBM – – – – – – – – – Née en 1924 de la fusion de 3 compagnies Calcul électromécanique – Carte perforée Compagnie mondiale de grande taille (30 000 en 1950) Débuts informatiques en 1948-1950 (IBM701) Invente le disque dur (1956) Invention des mainframes (IBM 360) 1964 Invention du copieur laser (1976) Nombre d’employés maxi en 1985 (405 000) Plus d’innovations majeures depuis cette date 01/12/2014 57 Les sociétés établies • Marconi – – – – – – Diode Radio transatlantique Radiodiffusons haute fréquence (BBC) Radar Télévision Systèmes pour l’aviation • GE – – – – Machine à rayons X Réfrigérateur Thyristors IRM 01/12/2014 58 Les sociétés établies • Bell Labs ATT et Western Electric – côte Est (N.J.) • Bell Labs prix Nobel – 1937: Clinton J. Davisson nature ondulatoire de la matière. – 1956: John Bardeen, Walter H. Brattain, and William Shockley Transistor. – 1977: Philip W. Anderson structure électronique du verre de materiaux magnetiques. – 1978: Arno A. Penzias and Robert W. Wilson Bruit de fond interstellaire. – 1997: Steven Chu Piégeage des atomes par laser. – 1998: Horst Störmer, Robert Laughlin, and Daniel Tsui, Explication de l’Effet Hall. – 2009: Willard S. Boyle, George E. Smith invention des CCD. 01/12/2014 59 Les sociétés établies • Bell Labs inventions – – – – – – – – – Cinéma parlant Stéréophonie Fax Radioastronomie Transistor Cellule photoélectrique Radio numérique Théorie de l’information Cryptographie 01/12/2014 60 Les nouvelles sociétés (après 1945) • • • • • • • Silicon Valley Hewlett-Packard - oscilloscope Fairchild - circuits intégrés Motorola – circuits intégrés Xerox Parc photocopie –interface graphique - souris Intel Microprocesseurs AMD - Microprocesseurs 01/12/2014 61 Economie de l’électronique Deuxième moitié du XXème siècle • • • • • • • • Invention du transistor (1947) Expansion économique générale après la guerre Premier débouché (radio à transistors) Deuxième débouché télévision Troisième débouché informatique (gros ordinateurs) Quatrième débouché microinformatique Cinquième débouché téléphone mobile Les innovations sur les composants ont toujours trouvé un marché pour les absorber 01/12/2014 62 Prix des mémoires 01/12/2014 63 Coûts microprocesseurs 01/12/2014 64 Origine du foisonnement récent • L’électronique semble s’autoalimenter depuis la seconde guerre mondiale • Le transistor et les circuits intégrés ont évolué suivant la loi de Moore • Le marché informatique semble sans limites pour ces composants • Les standards de fait facilitent l’explosion du marché • Effet de cluster (Silicon Valley) • Bien adapté aux valeurs du monde anglo-saxon (liberté d’entreprise, recherche du profit) 01/12/2014 65 La Silicon Valley • Zone de concentration des entreprises d’électronique et d’informatique au Sud de San Francisco • Ecosystème exemplaire unissant Université, entreprises, juristes et capital risque • En réaction à la côte Est dès 1890 • Racines dans le complexe militaro-industriel Sunnyvale, NACA, Lockheed, • Sandford Industrial Park • Etat d’esprit très « californien » • Grand développement après la seconde guerre mondiale 01/12/2014 66 La Silicon Valley • • • • • • • • • • Fairchild Hewlett-Packard Intel Xerox PARC Adobe Apple Cisco Oracle Google Facebook 01/12/2014 Stanford Terman 67 Université de Stanford Applications récentes de l’électronique • • • • • • Internet (protocole et réseaux) Le « Cloud » « Big data » et Data mining Tablettes et smartphones GPS Imagerie médicale 01/12/2014 68 Bibliographie • Une brève histoire de l’électronique de Henri Lilen – Vuibert 2003 - 640 pages • Histoire de la radio • Histoire du téléphone • Histoire du radar • Histoire des tubes électroniques • Histoire de la télévision • Histoire de la physique des semiconducteurs • Invention du transistor (en anglais) 01/12/2014 69 Conclusions • Révolution industrielle fille de l’électricité • On ne perçoit pas encore les limites à son développement • Limites possibles: – Barrière quantique – Usage des terres rares – Ralentissement de l’obsolescence par évolution technique • Expansions possibles: – Nombreux domaines encore peu « envahis » (santé, domotique) – Spintronique – Electronique moléculaire et nano matériaux 01/12/2014 70 L’électronique, mais c’est très simple! 01/12/2014 71
