conception d ’un circuit int égr é -...

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Sommaire

Conception des circuits intégrésL’unité centrale de traitementMicroprocesseursMémoire et hiérarchie de mémoirePériphériques de stockageImprimantesPériphériques d’affichagePériphériques de saisieMaintenance et dépannage d’un PCAssembler un équipement micro-informatiqueDiagnostiquer un dysfonctionnementmatériel ou logiciel

Méthodologie de travailCritères de choix des composantsd’un micro-ordinateur

Réalisation d’un devis à partird’un cahier des charges client

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Architecture MatArchitecture MatArchitecture Matééérielle des systrielle des systrielle des systèèèmes mes mes InformatiquesInformatiquesInformatiques

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Sommaire : Sommaire : Sommaire : Architecture MatArchitecture MatArchitecture Matééérielle des systrielle des systrielle des systèèèmes mes mes

InformatiquesInformatiquesInformatiques

• Conception des circuits intConception des circuits intConception des circuits intConception des circuits intéééégrgrgrgrééééssss– TransistorTransistorTransistorTransistor– Le circuit intLe circuit intLe circuit intLe circuit intéééégrgrgrgréééé– La photo lithogravureLa photo lithogravureLa photo lithogravureLa photo lithogravure

– Le condensateurLe condensateurLe condensateurLe condensateur– Technologies spTechnologies spTechnologies spTechnologies spéééécialiscialiscialiscialisééééeseseses

• LLLL’’’’unitunitunitunitéééé centrale de traitementcentrale de traitementcentrale de traitementcentrale de traitement• MicroprocesseursMicroprocesseursMicroprocesseursMicroprocesseurs• MMMMéééémoire et himoire et himoire et himoire et hiéééérarchie de mrarchie de mrarchie de mrarchie de méééémoiremoiremoiremoire• ImprimantesImprimantesImprimantesImprimantes

• PPPPéééériphriphriphriphéééériques driques driques driques d’’’’affichageaffichageaffichageaffichage– MoniteurMoniteurMoniteurMoniteur

• PPPPéééériphriphriphriphéééériques de saisieriques de saisieriques de saisieriques de saisie– Touches du clavier AzertyTouches du clavier AzertyTouches du clavier AzertyTouches du clavier Azerty

• Maintenance et dMaintenance et dMaintenance et dMaintenance et déééépannage dpannage dpannage dpannage d’’’’un PCun PCun PCun PC– Le dLe dLe dLe déééépannagepannagepannagepannage– Les FichesLes FichesLes FichesLes Fiches

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Sommaire : Sommaire : Sommaire : Architecture MatArchitecture MatArchitecture Matééérielle des systrielle des systrielle des systèèèmes mes mes

Informatiques (SUITE)Informatiques (SUITE)Informatiques (SUITE)

• Assembler un Assembler un Assembler un Assembler un ééééquipement microquipement microquipement microquipement micro----informatiqueinformatiqueinformatiqueinformatique

– Le montage du ProcesseurLe montage du ProcesseurLe montage du ProcesseurLe montage du Processeur

– Installation d'un Installation d'un Installation d'un Installation d'un ventiradventiradventiradventirad

– Les cavaliersLes cavaliersLes cavaliersLes cavaliers

– Fixation de la carte mFixation de la carte mFixation de la carte mFixation de la carte mèèèèrererere

– Insertion dInsertion dInsertion dInsertion d’’’’une barretteune barretteune barretteune barrette

– Installation des cartes dInstallation des cartes dInstallation des cartes dInstallation des cartes d’’’’extensionextensionextensionextension

– Branchement des Disques dursBranchement des Disques dursBranchement des Disques dursBranchement des Disques durs

• Diagnostiquer un dysfonctionnement matDiagnostiquer un dysfonctionnement matDiagnostiquer un dysfonctionnement matDiagnostiquer un dysfonctionnement matéééériel ou logicielriel ou logicielriel ou logicielriel ou logiciel

• MMMMééééthodologie de travailthodologie de travailthodologie de travailthodologie de travail

• CritCritCritCritèèèères de choix des composants dres de choix des composants dres de choix des composants dres de choix des composants d’’’’un microun microun microun micro----ordinateurordinateurordinateurordinateur

• RRRRééééalisation dalisation dalisation dalisation d’’’’un devis un devis un devis un devis àààà partir dpartir dpartir dpartir d’’’’un cahier des charges un cahier des charges un cahier des charges un cahier des charges clientclientclientclient

– Le choix dLe choix dLe choix dLe choix d’’’’un PCun PCun PCun PC

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Conception dConception dConception d’’’un circuit intun circuit intun circuit intééégrgrgrééé

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Les composantsLes composantsLes composants

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Conception dConception dConception d’’’un circuit intun circuit intun circuit intééégrgrgréééComposantsComposantsComposants

• 1.1.1/ Les principaux composants d’un PC

• Les ordinateurs sont des éléments constitutifs essentiels d'un réseau.

• Il est essentiel de pouvoir reconnaître et nommer les principaux composants d'un PC.

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• Pour que votre ordinateur soit un moyen fiable d'obtenir des informations, et suivre des programmes d'études à partir du Web notamment, il doit être en bon état de marche.

• Cela qui signifie que vous devrez peut-être parfois résoudre de petits problèmes affectant le matériel ou les logiciels.

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• Vous devriez être en mesure de reconnaître et de nommer les éléments constituants d'un PC, ainsi que d'en préciser la fonction :

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Conception dConception dConception d’’’un circuit intun circuit intun circuit intééégrgrgréééComposantsComposantsComposants

• Les petits composants :• Le transistor - dispositif qui amplifie un

signal ou qui ouvre et ferme un circuit.

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TransistorTransistorTransistor

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Conception dConception dConception d’’’un circuit intun circuit intun circuit intééégrgrgrééé TransistorTransistorTransistor

• Transistor

• Quelques modèles de transistors• Le transistor est le composant électronique

actif fondamental en électronique utilisé principalement comme interrupteurcommandé et pour l'amplification, mais aussi pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que de nombreuses autres utilisations.

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• Le terme transistor provient de l’anglaistransconductance varistor (résistance variable de transconductance).

• Il a été voté par un comité directeur de 26 personnes des Bell Labs le 28 mai 1948 (mémo 48-130-10) parmi les noms proposés suivants: semiconductor triode, surface states triode, crystal triode, solid triode, iotatron, transistor.

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• Pour des raisons commerciales, il fallait un nom court, sans équivoque avec la technologie des tubes électroniques. Transistor fut choisi.

• Il désigne un dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives qui permet le contrôle grâce à une électrode d'entrée (base pour les bipolaires et grille pour les FET) d'un courant ou d'une tension sur l'une des électrodes de sorties (collecteur pour les bipolaires et drain pour les FET).

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SommaireSommaireSommaire

• 1 Historique• 2 Types de transistors

– 2.1 Bipolaires– 2.2 À effet de champ– 2.3 Autres types– 2.4 Applications

• 3 Constitution• 4 Description schématique• 5 Principe de fonctionnement

– 5.1 Transistor MOS– 5.2 Bipolaire– 5.3 Différences

• 6 Évolution• 7 Emploi

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• 1/ Historique

• Exemple de l'intégration galopante

• Nombre de transistors dans les microprocesseursIntel :

• 1971 : 4004 : 2 300 transistors • 1978 : 8086 : 29 000 transistors • 1982 : 80286 275 000 transistors • 1989 : 80486 : 1,16 millions de transistors • 1993 : Pentium : 3,1 millions de transistors • 1995 : Pentium Pro : 5,5 millions de transistors • 1997 : Pentium II : 27 Millions de transistors • 2001 : Pentium 4 : 42 millions de transistors • 2004 : Pentium Extreme Edition : 169 millions de

transistors

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• Nombre de transistors dans les microprocesseurs AMD :

• 2001 : AMD Athlon XP(barton)3000+ : 54.4 millions de transistors

• En 1930, Lilienfeld avait déjà déposé un brevet concernant le principe du transistor à effet de champ.

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• L’effet transistor a été découvert en 1947 par les américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs de la compagnie Bell Téléphone. Ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1956.

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• Le transistor fut considéré comme un énorme progrès face au tube électronique : il est plus robuste, il fonctionne avec des tensions faibles, il peut donc être alimenté par des piles et il fonctionne instantanément une fois mis sous tension, contrairement aux tubes électroniques qui demandaient une dizaine de secondes de chauffage.

• Il a été rapidement assemblé, avec d'autres composants, au sein de circuits intégrés, ce qui lui permit de conquérir encore plus de terrain sur les autres formes d'électronique active.

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• Le transistor a constitué une inventiondéterminante sans laquelle l'électronique et l'informatique ne posséderaient pas leurs formes actuelles (2006); il a permis à la société de l’information électronique de se développer.

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• 2/ Types de transistors

• 2.1 Bipolaires • 2.2 À effet de champ Parmi les transistors à

effet de champ (ou FET, pour Field EffectTransistor), on peut distinguer les familles suivantes :– Transistors MOSFET : ils utilisent les

propriétés des structures Métal/Oxyde/Semiconducteur;

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– Transistors JFET : ils utilisent les propriétés des jonctions PN ;

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• 2.3 Autres types • Le transistor dit unijonction , qui n’est

quasiment plus utilisé, mais servait à créer des oscillateurs à relaxation.

• L'IGBT, un hybride de bipolaire et de MOSFET, uniquement utilisé en électronique de puissance.

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• 2.4 Applications • Les deux principaux types de transistors

permettent de répondre aux besoins de l'électronique analogique, numérique et de l'électronique de puissance et haute tension.

• Les bipolaires sont plutôt utilisés en analogique et en électronique de puissance.

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• Les FET sont principalement utilisés en électronique numérique (réalisation d'opérations logiques). Ils peuvent être utilisés pour faire des blocs analogiques dans des circuits numériques (régulateur de tension par exemple). Ils sont aussi utilisés pour faire des commandes de puissance (moteurs) et pour l'électronique haute tension (automobile). Leurs caractéristiques s'apparentent plus à celles des tubes électroniques. Ils offrent une meilleure linéarité dans la cadre d'amplificateurs Hi-Fi, donc moins de distorsion.

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• 3/ Constitution • Les substrats utilisés vont du germanium

(série AC, aujourd’hui obsolète), en passant par le silicium, majoritaire, l’arséniure de gallium et le silicium-germanium pour les transistors UHF et micro-onde.

• Un transistor bipolaire se compose de deux parties de substrat semi-conducteur dopées identiquement (P ou N) séparées par une mince tranche de semiconducteur dopée inversement ; on a ainsi deux types : N-P-N et P-N-P ;

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• Le transistor à effet de champ classiquement se compose d’un barreau de semiconducteurdopé N ou P, et entouré en son milieu d’un anneau de semiconducteur dopé inversement (P ou N). On parle de FET à canal N ou P suivant le dopage du barreau ;

• Le transistor MOS se compose d’un barreau de semiconducteur P ou N sur lequel on fait croître par épitaxie une mince couche d’isolant (silice), laquelle est surmontée d’une électrode métallique.

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• 4/ Description schématique • Transistor NPN

• Transistor MOSFET

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• Les trois connexions sont appelées :

• Pour le transistor bipolaire , la flèche identifie l’émetteur ; elle pointe vers lui dans le cas d’un PNP, elle s’en éloigne dans le cas du NPN. L’électrode reliée à la ligne droite figure la base et l’autre électrode figure le collecteur.

• Dans le cas de l’effet de champ, la flèche disparaît, car le dispositif est symétrique (drain et source sont échangeables). Les traits obliques sont habituellement remplacés par des traits droits.

• Pour le transistor MOS, la grille se détache des autres électrodes, pour indiquer l’isolation due à la présence de l’oxyde.

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• En réalité, il existe une quatrième connexion pour les transistors à effet de champ, le substrat (parfois appelé bulk), qui est habituellement relié à la source (c’est la connexion entre S et les deux traits verticaux sur le schéma).

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Sla sourceEl’ émetteur

Gla grilleBla base

Dle drainCle collecteur

symboletransistors

à effet de champsymbole

transistorsbipolaires

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• 5/ Principe de fonctionnement• Transistor MOS• Le fonctionnement d’un transistor type

MOSFET est assez simple à comprendre. Nous prendrons l’exemple d’un canal N, le plus fréquent ; le canal P a un fonctionnement identique en inversant les polarisations.

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• Le transistor est généralement constitué d'un substrat de type P, faiblement dopé, dans lequel on diffuse par épitaxie deux zones N+ qui deviendront la source et le drain. Le silicium au-dessus du canal est oxydé en SiO2 puis métallisé pour réaliser la grille, ce qui constitue une capacité entre la grille et le substrat.

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• En général, on relie la source à la masse, ainsi que le substrat. On porte le drain à un potentiel supérieur de ceux de la source et du substrat, créant ainsi un champ électrostatique entre la source, le substrat et le drain.

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• Au repos, deux cas sont possibles :– Ou bien la capacité grille/substrat est

flottante à vide : il n'y a quasiment pas de porteurs pour conduire un éventuel courant, les deux jonctions source-substrat et substrat-drain sont polarisées en inverse ; dans ce cas, on parle d'un MOSFET à enrichissement ;

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– Ou bien la capacité grille/substrat est en inversion, ce qui signifie que des électrons du substrat sont attirés au voisinage de l'oxyde. Ceux-ci constituent un afflux de porteurs minoritaires qui vont être disponible pour conduire le courant entre source et drain ; le transistor est normalement conducteur, on parle de MOSFET à deplétion (ou à appauvrissement).

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• Dans les deux cas, le courant source-drainest modulé par la tension de grille. Dans le type à enrichissement, il faut appliquer une tension positive à la grille pour amener la capacité grille-substrat en inversion : le transistor conduit à partir d'un certain seuil.

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• Dans le type à déplétion, le transistor est conducteur lorsque la grille est à la masse, il faut donc l'amener à une tension négative pour faire cesser la conduction.

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• Lorsque le transistor conduit, une augmentation de la polarisation entre le drain et la source augmente le courant (non-linéairement). À partir d'une tension de drain supérieure à la tension de grille, le champ électrostatique entre le substrat et la grille s'inverse localement au voisinage du drain. Le canal d'électrons y disparaît, le courant sature. Toute augmentation de la tension de drain au-delà de la tension de saturation conduit à une disparition encore plus précoce du canal d'électrons, et à une augmentation faible voire nulle du courant.

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• À tension source-drain constante, le courant de saturation varie comme le carré de la tension grille-substrat.

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• Une analogie très utile pour comprendre facilement le fonctionnement d'un FET, sans utiliser des concepts d'électrostatique, est de le comparer à un robinet d'eau. La grille est la commande analogue au pas de vis du robinet qui contrôle le débit d'eau (courant). Après un quart de tour, il se peut que seul un faible filet d'eau coule. Puis, le courant augmente rapidement avec une faible rotation. Enfin, malgré des tours dans le vide, le courant n'augmente plus, il sature. Enfin, si on veut augmenter le débit du robinet, il faut augmenter le diamètre du tuyau (différence de potentiel grille-substrat).

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• Bipolaire Le transistor bipolaire fonctionne différemment. Il existe 2 types de transistors bipolaires : de type NPN et de type PNP .

• Nous prendrons le cas d'un type NPN qui se caractérise par des tensions positives et un courant à la base positif.

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• Dans ce type de transistor, l'émetteur, relié à la première zone N, se trouve polarisé à une tension inférieure à celle de la base, reliée à la zone P.

• La diode émetteur/base se trouve donc polarisée en direct, et du courant (injection d'électrons) circule entre l'émetteur et la base.

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• Le secret du transistor bipolaire réside dans sa géométrie : la base, faite de matériau P, présente des dimensions négligeables par rapport aux deux régions N. Ceci a deux effets :

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• Le courant inverse de porteurs majoritaires type trous dans le substrat P est négligeable par rapport à l'injection d'électrons venus de l'émetteur, les recombinaisons restent donc marginales ;

• Un grand nombre d'électrons injectés par l'émetteur se retrouvent projetés vers la jonction base-collecteur, le champ électrique n'ayant pas le temps d'agir sur les électrons en transit dans la base.

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• En fonctionnement normal, la jonction base-collecteur est polarisée en inverse, ce qui signifie que le potentiel du collecteur est bien supérieur à celui de la base. Les électrons, en trajectoire balistique, se trouvent donc projetés contre une jonction polarisée en inverse. Cependant, la différence de potentiel, et donc de niveaux d'énergie, induit un effet tunnel important qui permet à la quasi-totalité de ces électrons de franchir la zone de charge d'espace et de se retrouver « collectés » dans le collecteur (d'où le nom).

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• Approximativement donc, tout le courant issu de l'émetteur se retrouve dans le collecteur. Ce courant est une fonction non-linéaire de la tension base-émetteur. Stricto sensu, le transistor bipolaire fait donc également partie des dispositifs à transconductance, qui produisent un courant modulé par une tension.

• Cependant, dans la plupart des cas, le transistor opère dans un régime de petits signaux, quasi-linéaire, où l'on préfère l'utiliser comme amplificateur de courant : le courant collecteur est alors un simple multiple du courant de base.

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• En principe, le transistor bipolaire devrait être un dispositif symétrique donc réversible, mais, en pratique, pour fonctionner correctement, les dimensions des trois parties sont très différentes et ne permettent pas un fonctionnement symétrique.

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• Différences • Les deux types de transistors fonctionnent de façons

très différentes :• Le transistor bipolaire est un amplificateur de

courant, on injecte un courant dans l’espace base/émetteur afin de créer un courant multiplié par le gain du transistor entre l’émetteur et le collecteur.

– Les transistors bipolaires N.P.N. (négatif-positif-négatif) laissent circuler un courant de la base (+) vers l’émetteur (-) sont plus rapides et ont une meilleure tenue en tension que les transistors P.N.P. base (-) émetteur (+), mais peuvent être produits avec des caractéristiques complémentaires par les fabricants pour les applications le nécessitant.

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• Le transistor à effet de champ . Son organe de commande est la grille (gate en anglais). Celle-ci n’a besoin que d’une tension (ou un potentiel) entre la grille et la source pour contrôler le courant entre la source et le drain. Le courant de grille est nul (ou négligeable) en régime statique, puisque la grille se comporte vis-à-vis du circuit de commande comme un condensateur de faible capacité. – Il existe plusieurs types de transistors à

effet de champ : transistors à déplétion , à enrichissement (de loin les plus nombreux) et à jonction (JFET).

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• Dans chaque famille, on peut utiliser soit un canal de type N soit de type P, ce qui fait donc en tout six types différents.

– Pour les transistors à déplétion ainsi que les JFET, le canal drain-source est conducteur si le potentiel de grille est nul. Pour le bloquer, il faut rendre ce potentiel négatif (pour les canaux N) ou positif (pour les canaux P).

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– Inversement, les transistors à enrichissement sont bloqués lorsque la grille a un potentiel nul. Si on polarise la grille d’un transistor N par une tension positive ou celle d’un transistor P par une tension négative, l’espace source drain du transistor devient passant.

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– Chacun de ces transistors est caractérisé par une tension de seuil, correspondant à la tension de grille qui fait la transition entre le comportement bloqué du transistor et son comportement conducteur. Contrairement aux transistors bipolaires, dont la tension de seuil ne dépend que du semi-conducteur utilisé (silicium, germanium ou As-Ga), la tension de seuil des transistors à effet de champ dépend étroitement de la technologie, et peut varier notablement même au sein d’un même lot.

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– Le transistor à effet de champ à déplétion à canal N est le semi-conducteur dont les caractéristiques se rapprochent le plus des anciens tubes à vide (triodes). À puissance égale, les transistors N sont plus petits que les P. À géométrie égale, les transistors N sont également plus rapides que les P. En effet, les porteurs majoritaires dans un canal N sont les électrons, qui se déplacent mieux que les trous, majoritaires dans un canal P. La conductivité d'un canal N est ainsi supérieure à celle d'un canal P de même dimension.

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– La plupart des circuits intégrés numériques (en particulier les microprocesseurs) utilisent la technologie CMOS qui permet d'intégrer à grande échelle (plusieurs millions) des transistors à effet de champ (à enrichissement) complémentaires (c’est-à-dire qu’on retrouve des N et des P). Pour une même fonction, l’intégration de transistors bipolaires consommerait beaucoup plus de courant.

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– En effet, un circuit CMOS ne consomme du courant que lors des basculements. La consommation d'une porte CMOS correspond uniquement à la charge électrique nécessaire pour charger sa capacité de sortie. Leur dissipation est donc quasiment nulle si la fréquence d’horloge est modérée ; cela permet le développement de circuits à piles ou batteries (téléphones ou ordinateurs portables, appareils photos ...)

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• Autres transistors:– IGBT (insulated gate bipolar transistor) :

Hybride qui a les caractéristiques d’un transistor à effet de champ en entrée et les caractéristiques d’un transistor bipolaire en sortie. Uniquement utilisé dans l’électronique de puissance.

– Transistor unijonction : Ce transistor est utilisé pour ses caractéristiques de résistance dynamique négative, ce qui permet de réaliser simplement un oscillateur. N’est plus utilisé de nos jours.

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– Phototransistor : C’est un transistor bipolaire, dont la jonction base-collecteurest sensible à la lumière.

– Par rapport à une photodiode, il est plus sensible, car il bénéficie de l’effet amplificateur propre au transistor.

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– L’opto-isolateur : Le phototransistor est monté dans le même boîtier qu’une diode électroluminescente. C’est la lumière qui assure la transmission des signaux entre le phototransistor et la diode électroluminescente. Le pouvoir d’isolation très élevée (de l’ordre de 5 KV) en fait le composant idéal pour isoler galvaniquement un circuit de commande, d’un circuit de puissance.

• Il existe aussi des opto-isolateursutilisant d’autres composants en sortie le thyristor, le triac.

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• 6/ Évolution • Les premiers transistors avaient comme

base le germanium. Ce matériau, de nouveau utilisé pour certaines applications, a vite été remplacé par le silicium plus résistant et plus souple d’emploi. Il existe aussi des transistors à l’arséniure de galliumutilisés en particulier dans le domaine de l’hyper-fréquence.

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• Les transistors à effet de champ étaient principalement utilisés en amplification grand gain de signal de faible amplitude, très basse tension. Ils étaient très sensibles aux décharges électrostatiques.

• Les évolutions technologiques ont donné les transistors ou commutateurs MOS de puissance, ils sont de plus en plus utilisés dans toutes les applications de commutation de forte puissance, basse tension, vu qu’il n’ont presque plus de résistance de drain avec des capacités de courants très intéressantes.

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• 7/ Emploi • Sauf dans le domaine des fortes puissances,

il est rare de n’avoir qu’un transistor dans un boîtier (pour les fortes puissances on optera pour un montage Darlington, permettant d’obtenir un gain en courant plus important).

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• Les circuits intégrés ont permis d’en interconnecter d’abord des milliers, puis des millions. Le milliard de transistors sur un seul composant est prévu quelque part entre 2006 et 2010.

• Ces circuits intégrés servent à réaliser des microprocesseurs, des mémoires, etc.

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• Le circuit intégré - dispositif constitué d'un matériau semi-conducteur ; il contient de nombreux transistors et remplit une fonction précise.

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Circuit intCircuit intCircuit int ééégrgrgr ééé

• Circuit intégré• Circuit intégré monté en surface d'un circuit

imprimé• Le circuit intégré (CI) (ou la puce

électronique ) est un composant électronique reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électronique de base dans un volume réduit, rendant le circuit facile à mettre en œuvre.

Une puce sur une carte

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• Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : analogique et numérique.

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• Sommaire• 1 Invention

– 1.1 Circuit intégré analogique– 1.2 Circuit intégré numérique

• 2 Apparence• 3 Composants internes• 4 Échelle d'intégration• 5 La technique de fabrication la plus courante

– 5.1 Matière première– 5.2 La photolithogravure

• 5.2.1 Étapes de fabrication• 5.2.2 Phases finales

• 6 Technologies spécialisées– 6.1 Silicium sur isolant– 6.2 Silicium sur saphir– 6.3 Arséniure de gallium– 6.4 Développements futurs

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• 1/ Invention • Jack Kilby est l'inventeur du circuit intégré. Il

est mort à l'âge de 81 ans en juin 2005 suite à une longue maladie.

• En 1958, cet américain, alors employé par Texas Instruments, créait le tout premier circuit intégré, jetant ainsi les bases de l'informatique moderne.

• Pour la petite histoire Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte alors que la plupart de ses collègues profitaient de vacances organisées par Texas Instruments.

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• À l'époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les câblant à la main. Il ne faudra par la suite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. Cette découverte a valu à Kilby un prix Nobelde physique en 2000, alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom.

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• Circuit intégré analogique• Les composants les plus simples peuvent

être de simples transistors encapsulés les uns à côté des autres sans liaison entre eux, jusqu'à des assemblages réunissant toutes les fonctions requises pour le fonctionnement d'un appareil dont il est le seul composant.

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• Les amplificateurs opérationnels sont des représentants de moyenne complexité de cette grande famille où l'on retrouve aussi des composants réservés à l'électronique haute fréquence et de télécommunication.

• Un exemple de circuit analogique : L'ampli op LM741 et une ribanbelle de cousins.

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• Circuit intégré numérique • Les circuits intégrés numériques les plus

simples sont des portes logiques simples (et, ou, non), les plus compliqués sont les microprocesseurs et les plus denses sont les mémoires..

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• On trouve de nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques (ASICpour Application Specific Integrated Circuit), notamment pour le traitement du signal (traitement d'image, compression vidéo...) on parle alors de DSP (pour Digital Signal Processor). Une famille importante de circuits intégrés est celle des composants de logique programmable (FPGA, CPLD). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en raison de leur grande densité d'intégration

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• Apparence• Trois circuits intégrés.• Un microcontrôleur.• Les circuits intégrés se présentent

généralement sous la forme de boîtiers pleins rectangulaires noirs, équipés sur un ou plusieurs côtés voire sur une face, de broches/pattes/pins qui permettent d'établir des connexions. Ces composants sont soudés, ou enfichés dans des supports à des fins de démontage, sur un circuit imprimé.

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• Sur le boîtier sont peint : un logo qui indique le nom du constructeur , une référence permet d'identifier le composant, un code correspondant à des variantes ou révisions et, la date de fabrication (4 chiffres codés AASS : année et semaine). Les progrès de l'intégration sont tels que les circuits intégrés peuvent devenir très petits. Leur taille ne dépend plus guère que de la capacité du boîtier à dissiper la chaleur produite par effet joule et bien souvent du nombre et de la taille des broches de sortie du circuit ainsi que de l'espace entre ces broches.

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• Différent types de boitiers permettent d'adapter le circuit intégré à sont environnement de destination.

• Le format le plus ancien à pour nom DIP. • La miniaturisation aidant les circuits dit de

surfaces ont fait leur apparition : le format SO

• Bien d'autre types existent :

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• Composants internes• Un circuit intégré comprend sous des formes

miniaturisées principalement des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs, plus rarement des inductances car elles sont plus difficilement miniaturisable.

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• Échelle d'intégration • L'échelle d'intégration définit le nombre de

portes par boîtier :• SSI (small scale integration) petite : inférieur

à 12 • MSI (medium) moyenne : 12 à 99 • LSI (large) grande : 100 à 9999 • VLSI (very large) très grande : 10 000 à 99

999 • ULSI (ultra large) ultra grande : 100 000 et

plus

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• Ces distinctions ont peu à peu perdu leur utilité avec la croissance considérable du nombre de portes. Aujourd'hui plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représentent un chiffre normal (pour un microprocesseur ou un circuit intégré graphique haut de gamme). Afin de parvenir a de tels niveaux d'integrations, un flot de conception complexe est utilisé.

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• La technique de fabrication la plus courante

• Des microprocesseurs sur la tranche de silicium (wafer) qui sert à leur fabrication.

• La fabrication d'un circuit intégré est un procédé complexe dont la tendance est à se compliquer de plus en plus.

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• Le motif de base est le transistor, et ce sont ensuite les interconnexions métalliques entre les transistors qui réalisent la fonction particulière du circuit.

• L'aluminium est souvent employé dans ce but, mais une technologie plus performante permet l'emploi du cuivre.

• On utilise parfois du silicium polycristallin, également conducteur, notamment pour la grille du transistor.

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• Matière première • La matière première de base habituellement

utilisée pour fabriquer les circuits intégrés est le silicium.

• Néanmoins, d'autres matériaux sont parfois employés, comme le germanium ou l'arséniure de gallium.

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• Le silicium est un semi-conducteur dans sa forme mono-cristalline. Ce matériau doit être pur à 99,99%.

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• On fabrique d'abord un barreau cylindrique de silicium en le cristallisant très lentement. Ce barreau est ensuite découpé pour être utilisé sous forme de galettes de 500 µm d'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre, appelé wafer (galette, en anglais). Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.t1

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• La photolithogravure• Ce procédé est actuellement le plus

répandu.

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• Étapes de fabrication • Le nombre d'étapes de la fabrication des

circuits intégrés a cru considérablement depuis 20 ans. Il peut atteindre plusieurs dizaines pour certaines productions spécialisées.

• On retrouve à peu près toujours la même série d'étapes :

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�Préparation de la couche : on expose le wafer à du dioxygène pur après chauffage pour fabriquer une couche d'oxyde (isolant) en surface, ensuite le wafer est recouvert d'un vernis photosensible .

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�Transfert : on transfère le dessin du circuit à reproduire sur la surface photosensible à l'aide d'un masque, comme pour la peinture au pochoir, en l'exposant aux ultraviolets, (ou aux rayons X, pour les gravures les plus fines). Le vernis non soumis aux rayonnements est dissout grâce à un solvant spécifique.

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�Gravure : l'oxyde de silicium est donc protégé par le vernis aux endroits exposés aux ultraviolets. Un agent corrosif va creuser la couche d'oxyde aux endroits non protégés .

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�Dopage : on dissout ensuite le verni exposé avec un autre solvant, et des ions métalliques , appelés dopants, sont introduits dans le silicium exposé là où l'oxyde a été creusé, afin de le rendre conducteur.

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�Couche suivante : l'opération est renouvelée pour créer les couches successives du circuit intégré ou du microprocesseur (jusqu'à 20).

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On détermine la qualité de la gravure selon le plus petit motif qu'il est possible de graver, en l'occurrence la largeur de la grille du transistor MOS. En 2004, les gravures les plus fines en production sont 0,13 µm (ou 130 nm) et 90 nm.

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Phases finales • On dépose une pellicule métallique aux

endroits où le circuit devra être en contact avec les broches de sortie.

• Les circuits intégrés sont testés directement sur le wafer. Les puces défectueuses sont marquées. Il s'agit de l'EWS

• Le wafer est finalement découpé au diamant ou via un procédé de découpe laser.

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• Les puces ainsi obtenues sont insérées dans un boîtier individuel de protection et reliées aux broches qui vont leur permettre de communiquer avec l'extérieur.

• Des tests de validation sévères et individuels sont alors entrepris pour qualifier les microprocesseurs, en fréquence et en température.

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• Technologies spécialisées• Certaines techniques sont aussi utilisées

pour des circuits intégrés de type un peu spécialisé.

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• Silicium sur isolant • La technologie (silicon on insulator - SOI)

consiste à introduire une couche isolante électriquement sous les transistors en profondeur du silicium. Cela réduit les pertes d'électrons dans le circuit, sources de consommation statique d'énergie. Le silicium « à coté » des transistors n'est plus fixé à un potentiel donné, ce qui introduit des performances intéressantes (augmentation de vitesse pour les portes CMOS complexes).

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• Silicium sur saphir • Dans certains cas, le substrat en silicium

monocristallin est purement et simplement abandonné. L'avantage intrinsèque d'utiliser du silicium (l'arrangement des atomes de silicium sur le substrat est naturellement plus régulier) peut alors être compensé pour des applications spécialisées. C'est ainsi que le silicium sur saphir (substrat en saphir cristallin) est utilisé dans les applications où le circuit intégré sera exploité dans un environnement spatial ou soumis à d'intenses radiations qui rendraient les substrats de silicium inutilisables.

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• Arséniure de gallium • On réalise également des semi-conducteurs

à base d'arséniure de gallium. Même si ce matériau a eu l'antériorité sur le silicium, il avait quasiment disparu de l'industrie. Aujourd'hui les avantages intrinsèques de ce matériau en termes de vitesse de commutation lui redonnent une nouvelle jeunesse dans le domaine des hautes fréquences et l'on voit réapparaître une fabrication industrielle sur la base de cette technologie.

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• Développements futurs• L'industrie des circuits intégrés est une de

celles qui évoluent le plus rapidement de l'histoire des technologies. Elle explore continuellement de nouvelles technologies. Parmi celles qui semblent avoir un avenir prometteur il faut compter :

• les substrats en diamant, dont on attend beaucoup en termes de refroidissement

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• La résistance - dispositif constitué d'un matériau résistant au flux du courant électrique.

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• Le condensateur - composant électronique qui emmagasine de l'énergie sous forme de champ électrostatique ; il est constitué de deux plaques de métal conducteur séparées par un matériau isolant.

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• Le connecteur - partie d'un câble qui se branche sur un port ou une interface.

• La diode électroluminescente (DEL) -dispositif semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un courant le traverse.

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• Les sous-systèmes d'un PC :

– La carte de circuits imprimés - mince plaque sur laquelle les puces (circuits intégrés) et d'autres composants électriques sont disposés.

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– Le lecteur de CD-ROM - unité permettant de lire les données stockées sur un CD-ROM.

– Le processeur - le processeur est le cerveau de l'ordinateur où sont effectués la majorité des calculs.

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– Le lecteur de disquettes - unité capable de lire et d'enregistrer des données sur des disquettes.

– Le lecteur de disque dur - unité qui lit et enregistre des données sur un disque dur.

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– Le microprocesseur - puce de silicium contenant un processeur.

– La carte mère - carte de circuits principale d'un micro-ordinateur.

– Le bus - ensemble de fils par lesquels les données sont transmises d'une partie d'un ordinateur à une autre.

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– La mémoire vive ou RAM - mémoire dans laquelle il est possible d'enregistrer de nouvelles données et de lire les données qui s'y trouvent. L'un des inconvénients de la mémoire vive est qu'elle nécessite du courant électrique pour conserver les données.

Dès lors, si l'ordinateur est éteint ou en cas de coupure de courant, toutes les données stockées dans la mémoire vive sont perdues, sauf si elles ont été enregistrées sur disque.

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– La mémoire morte ou ROM - mémoire de l'ordinateur dans laquelle des données ont été préenregistrées. Une fois écrites sur une puce de mémoire morte, les données peuvent uniquement être lues ; il est impossible de les effacer.

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– L'unité centrale - la partie principale d'un PC. Elle comprend le châssis, le microprocesseur, la mémoire principale, le bus et les ports, mais n'inclut pas le clavier et l'écran ou toute autre unité externe connectée à l'ordinateur.

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– L'emplacement d'extension - ouverture permettant d'insérer une carte de circuits dans un ordinateur afin d'en augmenter les capacités.

– L'alimentation - composant qui fournit le courant à l'ordinateur.

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ComposantsComposantsComposants

• Composants du fond de panier• La carte mère - grande carte de

circuits contenant les connecteurs destinés aux cartes d'extension.

• La carte réseau - carte d'extension installée dans un ordinateur en vue de le connecter à un réseau.

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• La carte vidéo - carte installée dans un PC et qui lui donne ses capacités d'affichage.

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• La carte son - carte d'extension permettant à un ordinateur de manipuler et de produire des sons.

• Le port parallèle - interface capable de transférer plus d'un bit à la fois. Ce port est utilisé pour interconnecter des unités externes, telles que des imprimantes.

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• Le port série - interface ne pouvant transmettre qu'un seul bit à la fois et qui peut être utilisée pour la communication série.

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• Le port de souris - port permettant de connecter une souris à un PC.

• Le cordon d'alimentation - cordon servant à brancher une unité électrique sur une prise de courant afin d'alimenter l'unité en électricité.

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• On peut considérer les composants internes d'un PC comme un réseau d'unités, toutes étant reliées au bus du système.

• Dans un sens, un PC est un réseau informatique miniature.

conception d ’un circuit int égr é -...

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