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 construction 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: MICROELECTRONIQUE Optoélectronique (afficheurs, LED,…) Composants discrets (chips) C.I. monolithiques Bipolaires MOS CTD C.I. hybrides Couches Minces Couches épaisses 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 ( !) 34 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION 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) Dioxyde de Silicium (SiO2) E1 E2 E3 P P P Silicium N 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 . 35 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION 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 approximativement 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). 36 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION 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, ...) VCC VCC S A B C S A B C Porte NAND RTL Porte NAND DTL Figure 2a Les logiques anciennes 37 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION Les portes MOS les plus courantes sont en technologie C-MOS: VCC VCC +VDD PMOS S entrée A B C sortie NMOS -VSS Inverseur CMOS Porte NAND TTL 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: 1 4 2 c 3 2 P b n+ N N 5 4 (C) d P 1 5 (E) 3 (B) a n+ P N Substrat P Figure 3 38 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION n+ On y distingue les couches suivantes: a- Le substrat du type P, d'une épaisseur de 6 mils (1 mil vaut 25 µm), obtenu à partir d'un lingot de Silicium de dopage déterminé (souvent la concentration de donneurs est de l'ordre de 1,4 1015 atomes/cm avec une résistivité typique de 10 Ωcm). Ce lingot est d'une longueur de 10 in et d'un diamètre de 1 à 2 in2 b- La couche épitaxiale du type N dans laquelle seront fabriqués tous les composants du circuit. Cette couche possède une épaisseur de l'ordre de 1 mil (25 µm). c- La couche protectrice de Silice (dioxyde de Silicium) d'une épaisseur de l'ordre de 0,5 µm obtenue par oxydation de la couche épitaxiale dans un four à 1000°C sous atmosphère d'Oxygène. Cette couche servira lors du processus de fabrication, comme nous le verrons plus en détail dans le point suivant. d-La couche d'Aluminium utilisée pour les connexions entre les différents composants. Du point de vue géométrie, un circuit intégré standard peut être fabriqué sur une « puce » carrée de Silicium de 50x50 mils. Ainsi, un substrat (« wafer ») de 1 in pourra être divisé en 400 « chips » de surface 50x50 mils. Sachant qu'un transistor occupe au maximum 50 mils, ( dans les circuits récents, un transistor possède un côté d'une largeur de l'ordre du dixième de micron) chaque circuit intégré est apte à contenir au moins 50 transistors (ou autres composants) et il y aura donc 50x400 =20.000 composants/in sur chaque wafer. Comme on met plusieurs wafers, on fabrique donc des milliers de circuits intégrés simultanément ce qui explique leur faible prix de revient. Le schéma suivant (figure 4) résume sous forme de film la transistor NPN partant d'un substrat de Silicium P: P 1. Substrat N N P P masque N N N P P P 4. Dépôt d’un vernis photosensible d'un 3. Oxydation de la surface 2. Dépôt de la couche épitaxiale UV 2 fabrication 5. Masquage et insolation 6. Dissolution du vernis de protection Note 2004 : le diamètre actuel des lingots atteint largement les 4 in 39 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION N N P P 7. Elimination des zones de SiO2 8. Elimination du vernis N N N P 9. Diffusion de zones P Cette dernière diffusion sert à constituer des caissons pour isoler le transistor des autres éléments (ce point sera détaillé un peu plus loin). On considère maintenant l’élément central : N N P P N 2. Photogravure et fenêtre dans l’oxyde 1. Oxydation P N 3. Diffusion de la base et réoxydation Zones n+ N P P N 4. Photogravure et ouverture de fenêtres N 5.Diffusion des émetteurs Collecteur Emetteur Base P 6.Ouverture de fenêtres pour prise de connexion P 7. Métallisations Figure 4 Film de la réalisation d’un transistor NPN 40 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION Isolement des composants: Il faudra remarquer que, sans précautions, les composants d'un circuit intégré seraient tous court-circuités entre eux. En effet, regardons les deux transistors de la figure 5: le substrat du type P est conducteur et court-circuite donc les deux collecteurs. C B E C’ B’ N N E’ N N P P Substrat P Figure 5 On a alors développé plusieurs méthodes d'isolement: 1°) Par jonctions PN polarisées en inverse (dans notre exemple, le substrat P sera porté à un potentiel plus négatif que celui des collecteurs) 2°) Par caissons de dioxyde de Silicium intercalés entre le substrat et les collecteurs des transistors (figure 6). Cette méthode, très utilisée, a pour avantage de réduire les courants de fuite et les capacités parasites collecteur-substrat. Ce procédé s'effectue selon les étapes suivantes: a) Ouverture de canaux dans le Silicium N monocristallin b) Oxydation (couche d'une épaisseur de 1 à 5µm de SiO2) c) Dépôt d'une couche de Silicium poly cristallin d) La couche de Silicium monocristallin est rabotée de façon à créer des zones N tout à fait isolées. N N N N N N (a) N N N (c) (b) N N N (d) Figure 6 Des techniques plus récentes d'isolation par oxyde existent (procédé isoplanar dans lequel la couche d'oxyde est obtenue par dépôt sous vide, etc...) 41 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION 3°) Par diverses méthodes propres aux fabricants (isolement diélectrique connu sous le nom d'EPIC, isolement par air utilisé sous le nom de V-ATE par Raytheon, etc...) Finition du circuit intégré: - Métallisation: c'est une opération (étape 7 précédente) dans laquelle on évapore un métal (souvent l'Aluminium) à l'endroit où on prévoit la prise des contacts. Cette opération s'effectue après l'ouverture de fenêtres dans l'oxyde. - Passivation (protection du Silicium par une couche d'oxyde afin qu'il ne soit pas chimiquement actif) - Découpe (certains circuits seront livrés ainsi: ce sont les « chips ») - Soudure par thermo compression - Contrôles et mesures Les contrôles s'effectuent visuellement (à l'aide de loupes binoculaires) - Mise en boîtier (les boîtiers sont divers: TO5, TO99, DIL, DIP, etc...) Exemple de boîtiers: DIP (Dual-In-Line), PDIP (PlasticDIP), SDIP (Shrink DIP) PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) VII. CLASSEMENT DES CIRCUITS INTEGRES Du point de vue complexité, on classe les circuits intégrés en faisant intervenir le nombre de transistors ou de portes logiques qu'ils contiennent. On distinguera ainsi: - Les SSI, de « Single Size Integration » ou intégration à petite échelle (moins de 100 transistors ou 1 à 10 portes) - Les MSI, de « Medium Size Integration » ou intégration à moyenne échelle (100 à 1000 transistors ou 10 à 100 portes). - Les LSI, de « Large Scale Integration » ou intégration à grande échelle (1000 à 10.000 transistors ou 100 à 1000 portes). Au delà, on parle de VLSI (Very Large Scale Integration), de ULSI (Ultra Large Scale Integration) etc... puisque actuellement, on dépasse largement le million de transistors dans un boîtier. 42 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION On a remarqué en fait que la densité d'intégration , depuis 1970, a toujours doublé tous les 18 mois: Ainsi, le premier microprocesseur (INTEL 4004) regroupait 2300 transistors sur une « puce » de 7 mm de côté soit une densité de 5000 transistors/cm. Au début des années 1980, cette densité est passée à 500.000 transistors/cm et elle atteint maintenant3 plusieurs millions. Il faut savoir que ce n'est pas le nombre de composants dans un circuit intégré qui augmente son prix de revient, mais le nombre d'opérations nécessitées par sa fabrication. Il a donc intérêt, les problèmes thermiques mis à part, à augmenter au maximum la densité d'intégration. Cette augmentation dépend des progrès de la technique de la photogravure: en 1983, la gravure par rayons Ultra-Violets permettait d'obtenir des motifs avec une largeur de 2 µm. A la place des rayons UV, on a utilisé des faisceaux d'électrons ou d'ions ,ce qui a permis d'obtenir des motifs de largeur inférieur au micron. On utilise actuellement des rayons X qui permettraient d'atteindre le domaine de quelques millièmes de microns. On parle ainsi de « nanoélectronique». VIII. EVOLUTION DES CIRCUITS AVEC L'INTEGRATION Si votre curiosité vous a fait observer le schéma électrique interne d'un quelconque circuit intégré, vous avez sans doute remarqué des différences certaines avec les schémas classiques à éléments discrets. En effet, certaines contraintes liées à la fabrication des différents composants font qu'on n' « intègre » pas directement n'importe quel schéma. 1°) Réalisation des composants passifs: a) Les résistances: Il y a plusieurs types: - Type base: Elles sont fabriquées lors des diffusions base des transistors.Le type P-base est le plus courant. On obtient des valeurs de 100 Ω à 30 kΩ à 20% prés. Cette médiocre précision (due aux erreurs de géométrie et de pilotage des masques) fait qu'on ne devrait faire appel dans un circuit intégré qu'à des valeurs absolues relativement basses. Le fait que les résistances soient fabriquées simultanément permet d'obtenir les mêmes résistances, avec moins de 1% d'erreur et il est donc préférable de faire appel à des rapports de résistances plutôt qu'à des valeurs absolues. -Type émetteur: Fabriquées lors de la diffusion des émetteurs, elles ont des valeurs inférieures à la centaine d'Ohms. C'est le type N qui est le plus employé. -Type collecteur: Ce type qui permettrait d'obtenir des valeurs élevées est en fait peu employé. Signalons qu'il existe des résistances à film mince, c'est à dire des résistances obtenues par évaporation d'un métal sur le substrat mais c'est une méthode qui est exceptionnellement employée. Notons, en ce qui concerne les résistances diffusées, qu'une résistance de valeur supérieure à 10 kΩ coûte aussi cher que 5 à 6 transistors. Il faudra donc se résigner à travailler avec des faibles valeurs de résistances. 3 en 1996 43 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION b) Les condensateurs: On peut réaliser un condensateur de deux façons: -Par intégration d'une diode bloquée (on sera alors limité en valeur de capacité à 30-60 pF) -Par édification d'un véritable condensateur dont le diélectrique serait la Silice . Dans ce cas, la capacité ne dépend que de la surface occupée mais cette surface devient vite prohibitive et on ne dépasse en pratique pas la trentaine de pF. D'ailleurs, au delà de cette valeur, les condensateurs obtenus sont de mauvaise qualité et d'un prix élevé. c) Les inductances: Elles sont évitées. Ce n'est que par exception, à très haute fréquence, qu'on trouvera des lignes accordées qui jouent ce rôle. 2°) Evolution des circuits avec l'intégration: Nous savons que les circuits de polarisation classiques en composants discrets (figure 7a ) font un grand usage de condensateurs (ou de selfs) pour la liaison et les découplages. Comme nous venons de le voir, ces éléments ne peuvent pas être intégrés et il a donc été nécessaire de concevoir d'autres méthodes de polarisation qui d'ailleurs, sont apparues très efficaces. VCC VCC T’ T (a) (b) Figure 7 Polariser un transistor, c'est, comme nous l'avons déjà vu, fixer son point moyen de repos. On y arrive en fixant son courant de base ou,comme le fait le circuit de la figure 6b , sa tension base-émetteur: La tension base de T' est fixée par la tension de déchet de la diode constituée par T. Le courant qui traverse T' reste constant dans une large gamme de températures car T et T' peuvent être identiques et, de plus, étant très voisins l'un de l'autre, ils seront soumis aux mêmes dérives. Un autre exemple est indiqué dans la figure 8 mais d'autres systèmes de polarisation , dits à valeur optimale, donc plus élaborés, existent et sont très employés. 44 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION VCC R2 R1 R4 T R3 T’ s V R1 , on a s = CC 2 2 Pour polariser T’ au milieu de la droite de charge, on fixe des rapports de résistances. Avec R3=R2 et si R4 = e Figure 8 IX. CONCLUSION L'apparition des circuits intégrés a révolutionné l'électronique et, par voie de conséquence, toute la technique actuelle. Les recherches restent soutenues en suivant principalement trois directions4: - Une première qui vise la réalisation de circuits ultra-rapides et qui a conduit à l'utilisation d'un matériau autre que le Silicium, l'Arseniure de Gallium car les électrons possèdent dans ce cas une mobilité 4 à 6 fois plus élevée. - Une seconde qui tente la réalisation « volumique » de circuits: les circuits seraient empilés les uns sur les autres dans une pastille unique mais le problème des interconnexions verticales est assez ardu, en plus des problèmes thermiques ( car n'oublions pas que tous les éléments en fonctionnement s'échauffent) - Une troisième, assez curieuse, est la biologie: l'idée est de réaliser des éléments bistables à partir de molécules organiques. On espère ainsi diviser par 100 les dimensions et les coûts sans affronter les problèmes d'échauffement des composants. Plusieurs laboratoires dans le monde s'intéressent à cet axe. Sans préjuger de l'aboutissement de ces recherches, il semble bien que la quasi-totalité des circuits électroniques soient dans l'avenir réalisés par intégration. Dores et déjà, la majorité des grands utilisateurs de l'électronique font appel à l'ASIC (Application Specific Integrated Circuit ou circuit intégré spécifique à une application), qui est une technologie qui permet de réaliser à la demande n'importe quel circuit, même en VLSI et sans pour cela prévoir nécessairement une grande série . Nous assistons donc bien à une véritable révolution et il faudra bien, à défaut d'être acteur, être spectateur attentif. 4 Note de 2005 : Une équipe de scientifiques spécialisés en information quantique et en nanofabrication, pilotée par les Drs Pawel Hawrylak et Andy Sachrajda, est parvenue à fabriquer le prototype d'un semi-conducteur à un spin à partir d'un point quantique. Il s'agit d'une réalisation majeure, car l'électronique, science qui repose sur la charge des électrons, a presque atteint sa limite technologique. C'est pourquoi les chercheurs du monde entier essaient d'exploiter les propriétés quantiques de l'électron, en l'occurrence son spin. Le prototype mis au point au CNRC illustre comment pourrait fonctionner un transistor à un spin.Le nouveau semi-conducteur fait appel à la science quantique. Le point quantique est un atome artificiel. Ces points se comportent comme un quantum, dont on peut prévoir et modifier la charge. En reliant les points quantiques à un réservoir au spin polarisé par des galleries d'exploration latérales, les chercheurs s'assurent que les électrons qui entrent dans le réservoir ou en sortent ont leur spin aligné vers le haut ou le bas, si bien que le point quantique se retrouve sous basse ou haute tension. En contrôlant la charge et le spin de l'électron, on paverait la voie à une forme transistorisée du calcul quantique, où l'unité de manipulation quantique, ou qubit, consisterait en un état de spin précis. (voir la suite sur le site http://www.nrc-cnrc.gc.ca/highlights/spintronic_f.html) 45 M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale 2° Partie: L'AMPLIFICATION
