LES CIRCUITS INTEGRES I. DEFINITION: II. CATEGORIES DE

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LES CIRCUITS INTEGRES
Dans ce cours, nous n'introduirons que des notions essentielles concernant le
phénomène de l'intégration car le sujet est trop vaste et dépasserait rapidement les
limites de notre programme. Ce sera donc un cours proche de la vulgarisation. De
plus, tout étant en constante évolution1, ce qu'on pourrait dire dans les détails risque à
tout moment de ne plus être conforme à la réalité. Pour se tenir au courant, le mieux
reste la lecture de revues spécialisées dont quelques titres intéressants vous sont
fournis en bibliographie.
I. DEFINITION:
Destiné à remplir une fonction déterminée, le circuit intégré est un ensemble de
composants électroniques actifs et passifs groupés et interconnectés par construc-
tion même.
II. CATEGORIES DE CIRCUITS INTEGRES:
Les circuits intégrés, du fait de leurs dimensions, ont incité à la création d'un
nouveau terme: la microélectronique.
Le schéma suivant résume cette nouvelle notion:
On peut voir qu'il y a deux grandes catégories de circuits intégrés: les C.I
hybrides et les C.I monolithiques.
1 Ce cours a été écrit fin des années 70 ( !)
MICROELECTRONIQUE
Composants
discrets
(
chi
p
s
)
Optoélectronique
(
afficheurs
,
LED
,
…
)
C.I. monolithiques C.I. hybrides
Bipolaires MOS CTD Couches
Minces
Couches
é
p
aisses

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1°) Les circuits intégrés hybrides:
Ils ne méritent pas tout à fait le nom de circuits intégrés comme le laisse
apparaître leur fabrication: ils sont conçus sur un substrat isolant (verre ou
céramique ou autre) qui, par impression ou gravure, reçoit des conducteurs et des
composants passifs. Les éléments actifs, réduits à leur plus simple expression (chips),
sont ensuite ajoutés et soudés (on dit qu'ils sont « rapportés »).
On distingue deux sortes de circuits hybrides:
- Les hybrides à couches minces (moins de 10 µm) réalisés le plus souvent par
dépôt sous vide et gravure.
- Les hybrides à couches épaisses (10 à 50 µm) où les couches sont obtenues par
sérigraphie. Avec cette technique, il est même possible de réaliser directement sur le
substrat des transistors, appelés transistors TFT (Thin Film Transistors) ou
transistors à couches minces.
2°) Les circuits intégrés monolithiques:
Ce sont des éléments électroniques actifs et passifs réalisés simultanément au
cours d'un même processus de fabrication. Ils sont dits « monolithiques » car ils ne
comprennent à l'intérieur du boîtier qu'un seul morceau de Silicium et c'est dans ce
morceau que sont réalisés tous les composants du circuit.
Du point de vue technologique, on y trouve trois grandes subdivisions:
a) Les circuits à transistors bipolaires tels les PNP et NPN classiques.
b) Les circuits à transistors MOS (N-MOS, P-MOS ou C-MOS) et à J- FET.
c) Les circuits à transfert de charge CTD (de Charge Tranfert Devices) tels les
CCD (Charge Coupled Devices), les BBD (Bucket Brigade Devices), les SCT
(Surface Charge Transistor) et les CID (Charge Injection Devices). Ces éléments
méritent une explication car nous ne les avons pas encore rencontrés.
- Les CCD (Charge Coupled Devices)
Ce terme se traduit par dispositif à couplage de charges. Il est réalisé dans un
substrat de Silicium de type N oxydé sur lequel sont déposées trois électrodes
métalliques (figure 1)
Figure 1
Supposons que les électrodes E1 et E3 soient à un potentiel négatif de -5V et
que l'électrode E2 soit au potentiel de -10V: les charges positives (minoritaires) du
substrat s'accumuleront sous E2 .
E1 E2 E3
P P P
Silicium N
Dioxyde de Silicium
(SiO2)

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Appliquons maintenant une tension de -15 V à E3 : la charge présente sous E2
va tomber dans le puits qui vient de se créer et vient donc d'être transférée.
Ainsi, une commande triphasée convenable va permettre un fonctionnement
tel que celui que l'on vient de décrire ce qui permet la réalisation de fonctions du type
mémoire ou registre à décalage par exemple (les CCD sont actuellement utilisés en
capteurs dans les caméras vidéo).
On remarque l'extrême facilité de fabrication de ces dispositifs car on n'a fait
appel ni à des diffusions ni à des techniques d'isolation ni à des procédés de masquage
élaborés.
Evidemment, on voit mal comment ces composants peuvent travailler en régime
linéaire et c'est ce qui a conduit au développement d'un autre type d'éléments à
transfert de charges, les BBD, de « Bucket Brigade Devices », traduit approximative-
ment par « éléments à chapelets ». Les BBD dont la fabrication nécessite une
diffusion supplémentaire sont aptes à travailler en analogique et en numérique
jusqu'à des fréquences qui atteignent 10 MHz
Citons pour terminer que la famille des CTD regroupe aussi les SCT (Surface
Charged Transistors ou transistors à charge de surface) et les CID (Charge Injection
Device ou dispositif à injection de charge).
Une étude plus détaillée nous entraînerait dans un cours de technologie qui
s'éloigne du but que nous nous sommes fixés dans notre cours d'électronique
générale.
III. INTERET DES CIRCUITS INTEGRES:
Pourquoi assiste-t-on à cette course aux circuits intégrés ? Parce qu'ils présentent
un grand nombre d'avantages dont:
- La compacité:
Une calculatrice de poche standard comprend une dizaine de milliers de
transistors (30 à 100.000) contenus sur un ou deux circuits intégrés (A titre de
comparaison, l'ENIAC, le premier ordinateur, qui remplissait beaucoup
moins de fonctions, occupait une pièce immense et quelques annexes !)
- La fiabilité:
On sait que la cause la plus fréquente des défaillances est le défaut des
soudures. L'intégration, en diminuant le nombre de connexions (donc le
nombre de soudures) réduit considérablement le taux de pannes.
- L'économie:
Par exemple, un amplificateur opérationnel (ou un amplificateur de puissance)
coute en version intégrée considérablement moins que le prix d'achat des
composants discrets qui le constituent. Ajoutons à cela les économies de main
d'oeuvre, de support et de châssis.
- La facilité d'utilisation:
Elle est évidente car la majorité des fonctions élec- troniques sont disponibles
et les mises au point de circuits hasardeuses ont pratiquement disparues.
- Une faible consommation:
Les consommations qui sont descendues jusqu'à l'ordre du nA permettent la
réalisation d'appareils autonomes et trés pratiques
- Des performances élevées
Ces performances sont dues à la réduction des longueurs de connexion (car
n'oublions pas qu'en 1 nS, le courant électrique parcourt 30 cm) ce qui entraîne
l'augmentation de la vitesse de réponse des circuits (500 MHz et plus).

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IV. LES FAMILLES DE CIRCUITS INTEGRES:
On divise les circuits électroniques en deux grandes catégories: les circuits
numériques (ou logiques) et les circuits linéaires (ou analogiques). Ils se
différentient par la manière dont ils traitent l'information:
- Les circuits numériques travaillent par « tout ou rien » (leurs signaux d'entrée
et de sortie ne prennent que deux valeurs représentées conventionnellement par 0 et
1)
- Les circuits linéaires présentent un signal de sortie fonction des signaux
d'entrée.(Cette fonction n'est évidemment pas nécessairement du type y=ax+b mais on
les appelle quand même circuits linéaires). Ce type de circuit intégré est apparu un peu
plus tard que le premier, vers 1965.
Ces deux catégories se divisent aussi en familles. Bien que les frontières ne
soient pas toujours très nettes, on pourra grossièrement présenter les subdivisions
suivantes:
1°) Circuits intégrés logiques:
-Logique RTL (Resistor Transistor Logic)
-Logique DTL, DCTL, ... (Diode Transistor Logic)
-Logique TTL (Transistor Transistor Logic)
-Logique MOS(Metal On Silicon)
Les figures 2a et 2b montrent par exemple une porte NAND réalisée dans
différentes logiques. Précisons que les logiques RTL, DTL, DCTL, ... ne sont
pratiquement plus utilisées. Ce sont les plus anciennes. Ajoutons que la logique TTL,
qui est en usage actuellement avec la logique MOS, présente plusieurs versions
améliorées et a induit une certaine évolution (pour des questions de rapidité, on
préfère ne pas saturer les transistors de commutation) d'où la TTL Schottky (on y
utilise des transistors Schottky, c'est à dire avec jonctions métal-semi conducteur),
l'ECL (Emitter Coupled Logic), la IIL (Integrated Injection Logic), ... De même que
la logique MOS, qui a permis le développement des micro-processeurs, présente aussi
plusieurs subdivisions (P-MOS, N-MOS, C-MOS, LOC-MOS, ...)
Porte NAND RTL Porte NAND DTL
Figure 2a
Les logiques anciennes
A
B
C
VCC
SA
B
C
VCC
S

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Les portes MOS les plus courantes sont en technologie C-MOS:
Figure 2b
Les logiques modernes
Il faut noter qu'il existe des technologies (par exemple celle appelée BiMOS)
dans laquelle on intègre sur une même puce des bipolaires et des MOS.
2°) Circuits intégrés linéaires:
Leur classement est peut-être plus difficile mais on pourra toujours dire qu'il y a des
circuits intégrés:
- Amplificateurs opérationnels
- Alimentations stabilisées
- Grand Public (pour radio-TV, montres, ...)
- Interfaces (commande de lignes, lecteurs de tores, ...)
- Divers (commande de thyristors, PLL, complexes, ...)
V. PROCESSUS DE FABRICATION DES CIRCUITS INTEGRES
La technologie planar épitaxiale est aujourd'hui généralement adoptée. La
structure typique d'un circuit intégré est schématisée dans la figure 3:
Figure 3
+VDD
A
C
S
B
VCC
VCC
-VSS
entrée sortie
PMOS
NMOS
Porte NAND TTL Inverseur CMOS
N
P
N
P
N
1
2 3
4
5
P
123 (B) 4 (C)
5 (E)
Substrat P
n+ n+
d
c
b
a
n+