Texte de la 225e conférence de l`Université de tous les

Texte de la 225e conférence de l’Université de tous les savoirs donnée le 12 août 2000.
Comment les révolutions de l'information et des communications ont-elles été
possibles ? Les semi-conducteurs
par Claude Weisbuch
Introduction
Les révolutions de l'information et des communications, issues des découvertes sur les
semi-conducteurs, sont un des faits marquants du siècle passé et vont continuer à bouleverser
dans ce nouveau siècle tous les domaines de l'activité humaine.
Le comité Nobel a rendu hommage en cette année 2000 aux pionniers qui ont rendu
possible ces révolutions : après le prix Nobel de Bardeen, Brattain et Shockley en 1956 pour
l'invention du transistor, c'est Kilby d'une part, Alferov et Kroemer d'autre part, qui sont
récompensés respectivement pour l'invention du circuit intégré, à la base de l'explosion de la
micro électronique, et pour celle des hétérostructures semi-conductrices, qui permettent, entre
autres, d'obtenir des lasers pour télécommunications. Ce prix Nobel est remarquable à plus
d'un titre, en particulier parce qu'il récompense des inventions, qui ont été signifiées par des
brevets (pour Kilby et Alferov), et non des découvertes scientifiques au sens habituel du
terme, annoncées dans des revues scientifiques évaluées par les pairs.
Les semi-conducteurs, et leur mise en œuvre dans les transistors, les lasers et les
circuits intégrés, tiennent ainsi une place particulière dans les grandes découvertes du XXe
siècle, à cause de leur impact jusque dans nos modes de vie. Il y a bien d'autres raisons qui
ajoutent à la place essentielle du domaine dans l'histoire des sciences et des techniques :
C'est un domaine technologique complètement né de la compréhension fondamentale
de la matière solide. Aujourd'hui, les milliards de composants fabriqués chaque seconde
opèrent exactement comme prévu par les modèles physiques microscopiques utilisés dans les
programmes de conception de circuits.
Inversement, depuis quelques années, la technologie des circuits intégrés permet
d'explorer de nouveaux champs fondamentaux. C'est ainsi que l'effet Hall quantique dans les
hétérostructures a déjà donné lieu à deux prix Nobel. Il y en aura certainement encore d'autres
basés sur les semi-conducteurs et leurs structures.
Le domaine est né d'une recherche fondamentale à long terme, effectuée dans un
laboratoire industriel. Cette expérience a longtemps été à la base du paradigme, accepté
jusqu'au début des années 80, selon lequel l'industrie devait faire elle-même de la recherche
fondamentale.
Il y a un étonnement renouvelé devant le progrès exponentiel ininterrompu (fig.1), à la
fois en performance et en coût.
Le domaine a ouvert de nouveaux champs industriels menant à un renouvellement des
entreprises industrielles les plus importantes, et a donné naissance à ce qu'on appelle la
nouvelle économie. De plus, son impact se retrouve dans tous les secteurs d'activité,
industriels ou de service, à cause de son caractère de technologie diffusante, transverse.
Le domaine a été à l'origine de nouvelles formes d'organisations et dynamiques
industrielles. La Silicon Valley tire son nom des entreprises de microélectronique en Silicium,
basées autour de San Francisco et de l'Université de Stanford. Ces entreprises ont défini un
nouveau paradigme industriel, basé sur l'essaimage et la mobilité des personnes (la première
entreprise, celle de Shockley est née des laboratoires Bell; des transfuges de Shockley ont
créé Fairchild, puis Intel). On peut tracer des liens d'hérédité entre des centaines d'entreprises
de la Silicon Valley. Une autre caractéristique est la rapidité de développement des nouveaux
produits et des entités industrielles de la nouvelle économie.

Ces révolutions de l'information et des communications sont nées du codage de
l'information sous forme de paquets d'électrons (les « grains » d'électricité) ou de photons (les
« grains » de lumière) (quelques dizaines de milliers de chaque pour l'élément d'information,
le « bit »), et la capacité de manipuler et transmettre ces paquets d’électrons ou de photons de
manière de plus en plus efficace et économique.
On nous annonce une société passant de biens matériels à l'immatériel, la « société de
la connaissance ». Cela peut être discuté, mais du point de vue physique il est vrai que les
quantités portant l'information sont très petites : La plus grande bibliothèque du monde, celle
du Congrès à Washington, a vingt millions de volumes. Si on considère qu'un livre est
codable sur 50 millions de bits, il faut 1015 bits pour coder tous les livres1. Si on code chaque
bit par la présence ou l'absence de la charge électrique de 10 000 électrons, la bibliothèque est
portée par 1019 électrons, soit les électrons qui sont transportés dans un courant de 1 ampère
en une seconde ! À notre échelle de tous les jours, le codage de l'information nécessite
effectivement une quantité infime de matière. C’est pour cela que la manipulation en est facile
et efficace. La capacité de communiquer l’information, grâce aux télécommunications, n’est
pas en reste : une seule fibre optique, alimentée par des lasers à semi-conducteurs, transmet
aujourd'hui 3 1012 bits (3 terabits) par seconde. Il faut donc 300 s pour transmettre toute la
librairie du Congrès ! Pour prendre la réelle mesure de la révolution de l'information, il suffit
de considérer la quantité d'informations produites chaque année2 sous forme de livres et
journaux, images fixes ou animées (films), données sur CD-Rom ou disques magnétiques
(c'est ce dernier type d'archivage qui est le plus important) : 2 attobytes (1 byte = 8 bits)( dont
0,003 % seulement sous forme imprimée), soit 350 gigabytes par habitant de la terre !
Tout cela a été rendu possible par les progrès des composants et systèmes semi-
conducteurs, liés aux deux démarches simultanées d'intégration des éléments actifs sur un
même support, la « puce », et de miniaturisation. Une des immenses surprises aura été le
caractère « vertueux » de la miniaturisation : plus les composants sont petits, meilleur est leur
fonctionnement ! On a pu ainsi gagner en 35 ans simultanément plusieurs facteurs de 100
millions à 1 milliard, en termes de complexité des circuits, en réduction de coût (la puce de
plusieurs centaines de millions de transistors coûte le même prix qu'un transistor dans les
années 60), en fiabilité, en rendement de fabrication.
Ce type de progrès exponentiel ne peut pas continuer indéfiniment. Le problème des
limites physiques se pose de plusieurs manières : jusqu'où la miniaturisation peut-elle
continuer ? Combien d'atomes faut-il pour faire un transistor qui fonctionne encore ? Y-a-t-il
des matériaux autres que les semi-conducteurs qui permettraient d'aller au-delà des limites
physiques, ou bien encore existe-t-il d'autres moyens de coder l'information plus efficaces que
les électrons ou les photons ? Ce sont les questions que se pose aujourd'hui le physicien,
cherchant ainsi à "refonder" un domaine d'activité immense qu'il a contribué à créer.
Aux origines des révolutions de l'information et des communications : la
physique quantique des solides
1 La notation scientifique et les unités de longueur
Pour représenter des grandeurs extrêmes, on utilise la notation dite scientifique, comprenant le chiffre
10 et un exposant: ce chiffre en exposant signifie le nombre de zéros à mettre dans une notation normale après le
chiffre 1 : 103 = 1 000 ; 106 = 1 000 000. Si l'exposant est négatif, il faut prendre l'inverse du nombre avec le
même exposant positif : 10-3 = 1/103 = 1/1 000.
Les préfixes : Méga dénote la puissance +6, Giga la puissance +9, ainsi 20 Gigabit valent 20 milliards
de bits ; le préfixe Téra dénote la puissance +12, soit 1 000 Giga-- ; Petta la puissance +15, atto la puissance
+18.
-Unités de longueur : le micromètre (ou micron) = un millionième de mètre. On le note 10-6 m, symbole
µm (un cheveu a un diamètre de 100 µm). L’angström, symbole Å, vaut un dix millionième de millimètre, soit
10-10 m Il représente l'ordre de grandeur de la distance entre atomes dans les cristaux solides, typiquement 3 Å.
2 voir http://www.sims.berkeley.edu/how-much-info/index.html

À la base de la capacité à stocker, manipuler et transmettre l'information se trouvent
les matériaux semi-conducteurs. Rien ne prédisposait ces matériaux à un tel destin : ils ont
des propriétés « classiques » médiocres, que ce soit mécaniques, thermiques, optiques ou
électriques. Comment en est-on arrivé à définir une catégorie de matériaux, les semi-
conducteurs, qui ne sont ni « bons » conducteurs (métalliques), ni « bons » isolants ! Ces
matériaux ont longtemps mystifié ceux qui s'intéressaient à eux : contrairement aux métaux,
leur conductivité s'améliore avec la température; de plus, et là aussi contrairement aux
métaux, leur médiocre conductivité à l'état pur s'améliore grandement si on leur ajoute des
impuretés chimiques choisies (les « dopants »).
C'est justement les propriétés conductrices moyennes des semi-conducteurs, basées sur
des quantités faibles de charges mobiles, qui les rendent « commandables ». Leur capacité à
changer de conductivité électrique, devenue « contrôlée » par la compréhension physique des
phénomènes et l'insertion locale d'impuretés chimiques, permet de commander le passage de
courant par des électrodes. On a alors les effets d'amplification et d'interrupteur du transistor,
à la base de la manipulation électronique de l'information. La sensibilité des semi-conducteurs
aux flux lumineux en fait aussi les détecteurs de photons dans les communications optiques,
et le phénomène inverse d'émission lumineuse les rend incontournables comme sources de
photons pour les télécommunications.
La compréhension de ces phénomènes a constitué le grand triomphe de l'application
de la mécanique quantique au mouvement des électrons dans les solides cristallins : la
résolution des équations de la mécanique quantique pour des électrons se propageant dans
l'arrangement périodique des ions d'un cristal a montré que leurs énergies possibles se
répartissaient en bandes d'énergie ayant une certaine mémoire des niveaux d'énergie des
atomes constituant le cristal. Chaque bande dans un cristal comportant N atomes aura vN
places pour des électrons (« états quantiques » dans le langage de la mécanique quantique)
dans chaque bande, si v est le nombre de niveaux permis dans le niveau de l'atome de départ
(fig. 2a). Suivant les positions de ces bandes d'énergie et le nombre d'électrons des atomes, en
particulier ceux des électrons les moins liés au noyau (les électrons de « valence », assurant
donc les propriétés chimiques) on va remplir entièrement ou non les bandes d'énergie
permises par les électrons disponibles, à partir de l'énergie la plus basse (fig. 2b). Si les
derniers électrons sont dans une bande où il reste dans le voisinage des places vides à plus
haute énergie, un champ électrique appliqué pourra donner une impulsion et une énergie
cinétique aux électrons. Il y aura conductivité électrique métallique. Si les électrons de
valence du matériau remplissent complètement les bandes, ils ne peuvent pas prendre de
l'énergie sous l'action d'un champ électrique appliqué. On a donc affaire à un isolant. On
conçoit bien que pour des espèces chimiques différentes, ayant de très petites différences
entre les niveaux d'énergie des atomes isolés de départ, on aura au final des matériaux solides
isolants ou conducteurs, donc avec des propriétés électriques très différentes.
Les semi-conducteurs, dans cette description, sont en fait des isolants à faible « bande
interdite » entre les derniers niveaux occupés de la bande de valence et les niveaux
immédiatement supérieurs de la prochaine bande d'énergie permise, appelée bande de
conduction. Du coup, certains électrons peuvent être excités de la bande de valence, dans
laquelle ils laisseront un « trou », vers la bande de conduction (fig. 2b, 3d). Plus la
température est élevée et plus il y a de tels électrons et trous, qui donc assurent une
conductivité plus grande. Ainsi s'explique le mystère de la conductivité des semi-conducteurs
qui augmente avec la température (celle des métaux baisse à cause de l'agitation thermique
des ions du cristal qui empêche la propagation des électrons, phénomène aussi présent dans
les semi-conducteurs mais dont l'effet est masqué par la bien plus importante augmentation du
nombre de charges conductrices). Le trou laissé dans la bande de valence a une conductivité
qui semble être due à une charge positive, car le déplacement apparent dans un champ

électrique a lieu en sens inverse de celui des électrons (figure 3c). Cette explication de la
conductivité apparente de certains matériaux par le « trou » de charge apparemment
« positive » dans une bande d'énergie presque pleine résout un des grands mystères des
solides, car on savait depuis J. J. Thomson que les charges légères et mobiles étaient des
électrons négatifs !
La propriété supplémentaire qu'ont les semi-conducteurs est leur conductivité
« commandable» par incorporation d'impuretés choisies : comme le Silicium, matériau de
base pour la microélectronique, a quatre électrons de valence, le fait d'incorporer des atomes
ayant trois ou cinq électrons de valence (le bore ou le phosphore respectivement) va entraîner
un manque ou un excès d'électrons par rapport au nombre qui remplit exactement la bande de
valence pour du Silicium pur. Ceci se traduit par des niveaux d'énergie « permis » dans la
bande « interdite », près de la bande de valence ou de conduction, qui vont relâcher des trous
ou des électrons, en nombre exactement égal au nombre d'atomes dopants que l'on aura
introduits. (fig. 3e, 3f) On imagine sans peine à quelles erreurs cet effet de dopage a pu
donner lieu : pour des métaux, la conductivité augmente avec la pureté, car il y a moins d'ions
étrangers pour s'opposer au passage du courant. Dans des semi-conducteurs, au contraire, la
conductivité augmente avec les impuretés dopantes ! Tel chercheur croyait avoir un matériau
pur parce qu'il conduisait bien alors qu'il était fortement dopé. Tel autre purifiait son matériau,
s'attendant à le voir mieux conduire, et il devenait quasiment isolant !
Avec cette compréhension des semi-conducteurs dès 1930, fondée sur la mécanique
quantique des solides cristallins, on avait les bases pour faire des composants électroniques. Il
faudra cependant attendre 1947 pour que le transistor voie le jour.
Du semi-conducteur au transistor et au circuit intégré
Le transistor
On a eu l'idée d'interrupteur (relais électrique) solide commandé par une tension
électrique appliquée dès le début du siècle, avec des brevets décrivant correctement le
fonctionnement du transistor à effet de champ dès 1923 (fig. 4). Cet effet « transistor », c’est-
à-dire le contrôle d'un courant à travers un morceau de matériau semi-conducteur par une
tension appliquée sur une grille de commande, a cependant nécessité de longs travaux dans
les années 30 et 40. Il a fallu maîtriser la purification des semi-conducteurs, et l'incorporation
contrôlée de dopants. Plus fondamentalement, il a fallu comprendre les barrières d'énergie
existant dans les semi-conducteurs dopés de manière inhomogène, ou bien encore celles qui
sont situées aux interfaces métal/semi-conducteur, ainsi que les effets de surface, qui
tendaient à masquer tous les autres phénomènes.
C'est par une démarche délibérée de recherche d'un tel relais solide que les
laboratoires Bell, d'American Telegraph and Telephone (ATT), monopole américain des
télécommunications, se sont lancés dans l'aventure du transistor dès 1936. Leur analyse
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, qu'ils soient à
relais électromécaniques ou à tubes à vide. Il fallait des interrupteurs hautement fiables basés
sur un nouveau concept physique. Le transistor a donc été inventé dans une entreprise de
télécommunications grâce à un programme de recherche à long terme et à haut risque, pour
satisfaire ses besoins, en lançant une recherche fondamentale de très grande ampleur puisqu'il
a fallu comprendre complètement nombre de nouveaux phénomènes en physique et en chimie
des matériaux semi-conducteurs. Il ne pouvait être inventé dans une entreprise d'ordinateurs
tout simplement parce qu'ils n'existaient pas à l'époque.
Le transistor et l'ordinateur

Le domaine où les progrès induits par les transistors, puis les circuits intégrés, ont été
le plus spectaculaires est sans doute celui des ordinateurs. Ce n'était pas clairement un impact
attendu, les grands patrons de l'industrie se trompant parfois lourdement : Thomas Watson,
PDG d'IBM, déclarait en 1943 que le marché mondial des ordinateurs serait de cinq unités.
Ken Olsen, PDG de Digital, l'entreprise phare des Miniordinateurs, déclarait en 1977 qu'il ne
voyait pas pourquoi les gens auraient des ordinateurs chez eux.
Ce sont les progrès de la microélectronique qui ont généralisé les ordinateurs dans un
premier temps, puis rendu accessibles l'ordinateur personnel, et les services associés comme
le courrier électronique ou le web. Ces progrès ont été rendus possibles par la physique des
composants. C'est qu'elle est particulièrement bien adaptée à la réalisation des fonctionnalités
indispensables dans un ordinateur : rappelons que pour faire un ordinateur, il faut à la fois de
la mémoire (pour stocker les programmes, les données d'entrée et les résultats de calcul) et
une capacité de logique combinatoire (pour effectuer des calculs)(fig. 5). Le transistor permet
de construire à la fois la fonction mémoire et la capacité logique nécessaires, car il peut
fonctionner comme un bon interrupteur. Comme on le démontre à partir de l'algèbre de Boole,
c’est-à-dire la combinatoire d'opérateurs logiques comme la porte « ET » de la figure 5, des
interrupteurs associés à des résistances permettent de réaliser toute opération logique. Associé
à un condensateur, un transistor fonctionnant en interrupteur permet aussi de réaliser un
élément mémoire : c'est le principe des mémoires « dynamiques » DRAM (fig. 5).
Pourquoi dit-on que la physique des composants à semi-conducteurs est bien adaptée ?
C'est que l'on peut réaliser cette fonctionnalité d' interrupteur de manière quasi-parfaite, c’est-
à-dire en consommant peu d'énergie et en isolant le courant contrôlé par l'interrupteur de la
commande de cet interrupteur : on dit que la « sortie » du composant ne réagit pas sur
l' « entrée ». Pour cela, le matériau isolant entre grille de commande et canal conducteur (fig.
4) est déterminant pour la qualité du transistor. Il a fallu attendre 1960 pour enfin avoir un
isolant de la qualité voulue, alors que les essais de fabrication des transistors à « effet de
champ » avaient débuté dès 1930. Une autre propriété très importante des transistors est que
chacun d'eux peut commander plusieurs autres transistors, avec une tension qui est référencée
à la tension d'alimentation (cf. la tension de « sortie » de la porte « ET » de la figure 5), et
non pas à la tension de commande (« 0 » ou « 1 »). On peut donc mettre en cascade des
milliers de composants sans dégradation du signal de commande.
Le circuit intégré
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. Kilby, prix Nobel 2000, l'a décrit dans un brevet et des conférences, pas dans
une revue scientifique.
Dès l'invention du transistor, celui-ci remplace le tube à vide dans les appareillages
électroniques, et les ingénieurs utilisent ses propriétés remarquables : miniaturisation, grâce à
des techniques de micro fabrication, conception de très grands systèmes grâce à une meilleure
fiabilité des composants, à leur petite taille 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 le besoin 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 de composants possible, par des techniques dites « hybrides » : chaque composant
(résistance, diode, condensateur, transistor, inductance) est fabriqué dans un matériau
différent, et ils sont reliés, mécaniquement et électriquement, par d'autres matériaux encore.
Cette approche hybride rencontre toutefois une limitation importante. Tandis que la fiabilité