Aujourd'hui, un monde sans électricité signifierait pas de lumière la nuit, pas de moyens de transport, pas de téléphone, pas de télévision, pas d' ordinateurs...
Le XIXe siècle fut celui de la vapeur, le XXe celui de l'électricité, le suivant sera probablement celui de l'électronique
Un circuit électronique est un ensemble de composants électroniques regroupés sur un même support en vue d'une fonction précise.
Le premier progrès dans la réalisation des circuits électroniques a été la découverte des circuits imprimés permettant une reproduction en grand nombre de la même carte, destinée à produire une certaine fonction. La plupart des dispositifs actuels utilisent de tels circuits comme interface entre les circuits électroniques proprement dits (circuits intégrés) et les organes dont ils assurent le fonctionnement. L'avantage de ces plaques est leur facilité de remplacement, qui simplifie considérablement les opérations et les coûts des dépannages.
Éléments de base d'un circuit électronique.
Les composants électroniques sont destinés à remplir une fonction électronique plus ou moins complexe. Parmi ces composants élémentaires, on distingue deux catégories : les composants passifs et les composants actifs.
Les composants passifs fixent les caractéristiques (intensité, tension, phase) du courant qui les parcourt, sans recourir à aucune source d'énergie extérieure au circuit. On distingue les composants linéaires, tels que les résistances, les condensateurs et les auto-inductances (bobinages), et les composants non linéaires, tels que les différentes sortes de diodes . Les unités que nous utiliserons pour caractériser ces composants sont normalisées et portent le nom de Unités SI, ce qui signifie Système International.
Quant aux éléments actifs, ils agissent sur le circuit où ils sont insérés en faisant appel à une source d'énergie extérieure. Dans cette catégorie se rangent en particulier différents tubes électroniques, comme la triode, et divers composants à semi-conducteurs, tels que les transistors et thyristors. Le processus d'intégration de centaines de milliers de composants élémentaires dans des structures compactes, notamment dans les amplificateurs, les microprocesseurs, les mémoires et les convertisseurs, dont les fonctions sont hautement spécifiques, a entraîné l'extension du concept de composants à ces structures complexes : en effet, c'est à ces objets et non aux composants élémentaires qu'on fait appel aujourd'hui pour réaliser n'importe quel circuit, de l'allumage d'un moteur à explosion à un superordinateur.
Les circuits électroniques s'identifient aujourd'hui presque exclusivement aux circuits intégrés. Certes, il existe encore des circuits câblés et des circuits imprimés, mais ces derniers sont souvent combinés, sur la même plaquette, à des circuits intégrés. L'apparition du circuit intégré, vers 1964, est liée à la miniaturisation du transistor.
Utilisé en " tout ou rien ", comme une porte (le courant passe ou ne passe pas), le transistor est l'élément de base de tout circuit électronique. Son schéma de principe comporte un émetteur, un collecteur et une base.
Si la base est à un potentiel positif ou nul, un courant positif arrivant par l'émetteur sera reçu par le collecteur en sortie : le transistor est à l'état passant.
Si la base est à un potentiel négatif, le courant arrivant par l'émetteur ne sera pas reçu par le collecteur : le transistor est à l'état bloqué.
Cette propriété permet de réaliser des circuits où l'envoi de courants de commande appropriés vers les bases de transistors réalise les opérations de l'algèbre de Boole. C'est ce que l'on appelle un circuit logique, élément de base des ordinateurs et autres automates numériques.( voir Technique de fabrication d'un circuit intégré.)
Dans les premiers circuits intégrés, dits à petite échelle, ou SSI (Small Scale Integration), on trouvait une dizaine de composants élémentaires, ou " portes ", interconnectés et inséparablement associés dans un substrat de silicium de quelques millimètres de côté ; chacun de ces circuits ne pouvait réaliser qu'une fonction logique de l'algèbre de Boole : ET, OU, NON, NON-ET, NON-OU.( voir Dossiers Portes logiques ) .
Ensuite il y a eu le MSI (Medium scale Integration ) qui pouvait regrouper plus de 10 portes .( voir Anatomie d'une puce )
En 1966, on commença à réaliser en laboratoire des circuits intégrés à grande échelle, ou LSI (Large Scale Integration). Cette dernière étape marque une vraie révolution technologique, dans la mesure où les composants élémentaires ne forment plus un circuit logique simple, mais constituent un ensemble de plus de 100 circuits sur des plaquettes de 2 mm de côté, chacune de celles-ci ayant une fonction électronique complexe et, par là même, spécialisée.( voir La vérification d'un circuit ).
Les VLSI (Very Large Scale Integration), avec des dizaines de milliers de portes sur une plaquette. De tels circuits, appelés microprocesseurs ou puces, peuvent constituer un ordinateur complet. À leur origine au début des années 1970, leurs performances relativement faibles en cantonnèrent l'usage aux calculateurs spécialisés, puis aux micro-ordinateurs. Au milieu des années 1990, les microprocesseurs comportent sur une seule plaquette plusieurs millions de portes, avec un " pas " de 0,35 micron (m, un millième de millimètre), une fréquence de 200 mégahertz, et en 2000 le pas continu de diminuer et les fréquence depasse les 600 mégahertz et sont capables d'exécuter plusieurs centaines de millions d'opérations élémentaires par seconde, ce qui laisse peu d'avenir aux ordinateurs à base de circuits plus traditionnels (dits à " logique discrète "). En effet la fabrication des microprocesseurs est automatisable à grande échelle, ce qui en rend le prix très bas.
Quant au stockage des données il est assuré par des mémoires internes. On distingue les mémoires vives, ou RAM (Random Access Memory), et les mémoires mortes, ou ROM (Read Only Memory). Les mémoires sont les circuits les plus simples à fabriquer car elles sont constituées d'un grand nombre d'éléments identiques regroupés sur une même puce. Au contraire, les circuits de l'unité centrale doivent remplir différentes fonctions telles que l'addition, la multiplication, etc. ; ces fonctions sont représentées par une ou plusieurs portes, qui sont les composants élémentaires d'un circuit.
La technologie des circuits intégrés évolue vers une miniaturisation et une complexité de plus en plus poussées. On parle aujourd'hui non seulement de VLSI, déjà mentionnée, mais d'ULSI (Ultra Large Scale Integration). Les laboratoires travaillent sur une intégration encore plus complète, telle que soient rassemblés sur un même support de silicium tous les composants nécessaires à des ordinateurs très puissants.
Pour réaliser ces circuits VLSI, il faut adopter des méthodes de fabrication bien particulières : elles consistent à diffuser ou à implanter des dopants directement dans le silicium, pour lui conférer des propriétés semi-conductrices propres ; certaines zones sont dites positives, d'autres négatives ; certaines zones doivent être oxydées pour devenir isolantes ; des contacts métalliques sont déposés.
La plus ancienne technique utilisée pour fabriquer des VLSI repose sur un procédé de sérigraphie ; toutes ces opérations, extrêmement délicates puisque la dimension de chaque élément est de l'ordre du micron, s'effectuent à travers une série de masques, un peu comme un tirage photographique. La tranche de silicium, recouverte de résine, est impressionnée à travers le masque soit par de la lumière, soit par des rayons ultraviolets ou autres (rayons X, faisceau d'électrons, faisceau d'ions, laser...) ; la résine impressionnée est ensuite éliminée par gravure chimique, ionique ou électronique, ce qui dégage les zones de silicium sur lesquelles seront faites la diffusion, l'oxydation ou le dépôt métallique. Après avoir réitéré le processus autant de fois que le circuit comporte de couches, le produit est testé et encapsulé : il est alors prêt à l'emploi.
Au milieu des années 1990 cette technique est toujours utilisée, mais tend à être supplantée par des méthodes d'implantation directe notamment, avec des canons à électrons.
Au début de l'ère des circuits intégrés, on réalisait autant de types de circuits différents que de fonctions logiques. Avec l'apparition de l'intégration à grande échelle, il devient possible, un grand nombre de composants pouvant être intégrés, de réduire le nombre de types différents de circuits, et donc de produire ceux-ci en quantité industrielle. Or, le nombre d'éléments qui peuvent être intégrés sur la même surface de silicium ne cesse de croître. On admet généralement qu'il est multiplié par dix tous les cinq ans. Ainsi, alors qu'une puce comportait un millier de portes en 1975, ce nombre était proche de cent mille en 1985, de plusieurs millions en 1995.
Ce perfectionnement de l'intégration permet aujourd'hui de fabriquer des composants spécialisés pour une application. Alors que les puces standard correspondent au " prêt-à-porter " de l'électronique, il existe aussi une confection " sur mesure ". Ces circuits dits personnalisés (ou custom, en anglais) se répartissent à leur tour en semi-custom (pré-traités) et full-custom (à la demande). La catégorie semi-custom comprend trois grandes familles de circuits : les réseaux logiques programmables, ou PLA (Programmable Logic Arrays), permettant de réaliser des fonctions logiques par programmation irréversible ; les réseaux prédiffusés (Gate Arrays), constitués de portes logiques dont les interconnexions sont réalisées par l'utilisateur suivant ses besoins ; les circuits précaractérisés où l'utilisateur choisit dans une bibliothèque les fonctions, ou cellules, dont il a besoin, puis effectue lui-même leur agencement et leurs interconnexions (routage). La catégorie full-custom correspond aux circuits totalement à la demande, désignés par le sigle ASIC (Application Specific Integrated Circuit, circuit intégré spécifique à une application).
Pour concevoir des circuits d'une telle complexité, standard ou sur mesure, il existe des logiciels de conception assistée par ordinateur qui se chargent de dessiner le circuit selon les fonctions que ce dernier doit effectuer. Les plus élaborés de ces logiciels sont appelés compilateurs de silicium ; ils permettent, à partir de la représentation logique du circuit, d'obtenir sa représentation électrique ou physique et, dans les systèmes les plus perfectionnés, le dessin des différents masques qui serviront à la lithographie. Grâce à ces systèmes, il est désormais possible de réaliser des circuits très complexes en quelques semaines, alors qu'il fallait auparavant de longs mois, voire des années. Il n'en reste pas moins que la conception, le prototypage et le test d'un microprocesseur de trois ou quatre millions de portes qui devra être produit à des millions d'exemplaires demande plusieurs années de travail à une équipe de dizaines d'ingénieurs.
Si le silicium est actuellement le semi-conducteur le plus utilisé pour les circuits intégrés, certains circuits électroniques requièrent des propriétés spéciales. C'est notamment le cas des circuits hyperfréquences (à fréquence de cycle très élevée) et des circuits optoélectroniques (combinant à la fois des composants optiques et des composants électroniques sur le même circuit). Dans ces cas, l'arséniure de gallium et d'autres semi-conducteurs de type III-V occupent une place croissante. Des recherches intensives sont en cours dans ce domaine ; des études se poursuivent également en vue de réaliser des circuits supraconducteurs, dont le fonctionnement est fondé sur l'effet Josephson. Ces technologies font apparaître la possibilité de créer des ordinateurs fonctionnant avec des cycles de base de l'ordre de la nano-seconde (un milliardième de seconde), donc de dix à vingt fois plus brefs que ceux des plus rapides des microprocesseurs actuels.
Ces directions de recherche ont pu paraître prometteuses, mais les progrès inexorables, et dont on ne voit pas la fin, de la technologie " classique " sur silicium les cantonnent aux laboratoires.
Des recherches encore plus futuristes visent à utiliser des matériaux organiques en vue de réaliser des circuits " biologiques ", ou " biochips ", qui " simuleraient le fonctionnement du cerveau ". Enfin, l'électronique pourrait céder la place à l'optique dans les circuits d'ordinateur ; des équivalents optiques des transistors ont déjà été réalisés : dans ces circuits, ce ne sont pas des électrons, mais des photons, qui circulent. Plusieurs laboratoires de recherche travaillent à la réalisation d'ordinateurs " optiques ", entièrement fondés sur des circuits optiques.
Les progrès des circuits intégrés sont très rapidement répercutés sur le marché grand public. Les micro-ordinateurs ont ainsi été commercialisés à grande échelle peu de temps après la mise au point du premier microprocesseur. Nous assistons, chaque année, à une amélioration de leurs performances, à une réduction de leur taille et, corrélativement, à une baisse des prix : le coût par fonction réalisée par un circuit diminue en moyenne d'un facteur 10 tous les cinq ans, ce qui permet de vendre aujourd'hui pour quelques milliers de francs des micro-ordinateurs plus performants que leurs ancêtres de première génération, gigantesques armoires qui valaient plusieurs dizaines de millions de francs.
Dernière mise à jour le 25/01/2003 .
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