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Composants électroniques

Publié le 23/10/2012

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Création de la zone active

Le type de porteurs de courant et leur concentration sont différentes dans les couches actives de ceux du substrat. La couche active s'obtient de différentes manières :

 

■ en faisant croître (par « épitaxie ») une couche monocristalline sur le substrat ;

 

• par diffusion thermique d'impuretés à la surface du substrat ;

 

• par implantation ionique : des ions de l'impureté de dopage sont bombardés sur la surface du substrat.

Gravure des circuits

La technologie la plus répandue est la technologie planaire qui se déroule en deux étapes.

 

Étape 1 : dépôt d'une couche de passivation

 

Elle est obtenue par oxydation de la tranche de semi-conducteur, en la plaçant dans un four à température élevée (1 000°C). Au contact de l'oxygène sec circulant dans le four, une couche d'oxyde pouvant atteindre 1 pm d'épaisseur se forme : c'est la couche de passivation.

 

Étape 2 : photogravure Une résine photosensible est ensuite déposée sur la couche de passivation. Après séchage dans une étuve, la résine est exposée à un rayonnement ultraviolet à travers un masque représentant le motif des circuits à graver. La nature du rayonnement fixe l'épaisseur des traits de la gravure.

 

Le « développement » de la plaque dissout la résine insolée. Par chauffage, la résine restante est polymérisée et la plaque est ensuite attaquée par un acide qui va graver les zones d'oxyde non protégées par la résine. Pour finir, la résine photosensible polymérisée est ôtée au moyen d’un bain spécial. Réalisation des contacts métalliques. La métallisation de certaines zones du circuit intégré permet de créer des connexions entre différents points du circuit ou des points métalliques qui seront reliés aux pattes du circuit par l'intermédiaire de fils d'or ou d'aluminium.

Dans une jonction PN, deux morceaux de matériau de type N et P sont accolés. Après l'assemblage, les électrons du matériau N sont attirés par les « trous » du matériau P. Il se forme ainsi une jonction dans laquelle il n'y a plus de porteurs libres.

 

De part et d'autres de la jonction, se trouvent des zones avec un surplus d'électrons (côté N) ou un déficit d'électrons (côté P). Ce déséquilibre fait apparaître un champ électrique E. D'un point de vue énergétique il se crée une barrière de potentiel qui empêche la circulation des porteurs.

 

Lorsque l’on porte la région P à un niveau de tension supérieur à celui de la région N, la barrière de potentiel et réduite et la circulation des porteurs est rendue possible : électrons de N vers P et « trous » de P vers N. On dit que la jonction PN est polarisée en direct.

 

En portant la région P à un niveau de tension inférieur à celui de la région N, on empêche la circulation de courant On parle de polarisation inverse. C'est le principe des diodes, qui laissent passer le courant dans un sens et pas dans l'autre.

« JONCTION PN .----- N p -1:*--diode Dans une jonction PN, deux morceaux de matériau de type N et P sont accolés.

Après l'asse mblage , les électrons du matériau N sont attirés par les « trous » du matériau P.

Il se forme ainsi une jonction dans laquelle il n'y a plus de porteurs libres .

De part et d'autres de la jonction, se trouvent des zones avec un surplus d'électrons (côté N) ou un déficit d'électrons (côté P).

Ce déséquilibre fait apparaître un champ électrique E .

D ' un point de vue énergétique il se crée une barrière de potentiel qui empêche la circulation des porteurs.

Lorsque l'on porte la région P à un niveau de tension supérieur à celui de la région N, la barrière de potentiel et rédu~e et la circulation des porteurs est rendue possible : électrons de N vers P et «tro us» de P vers N.

On d~ que la jonction PN est polarisée en direct.

En portant la région P à un niveau de tension inférieur à celui de la région N, on empêche la circulation de courant On parle de polarisation inverse.

C'est le principe des diodes, qui laissent passer le courant dans un sens et pas dans l'autre.

FABRICATION DES CIRCUITS INTÉGRÉS La base de ces circuits est constituée d'une plaquette de matériau semi­ conducteur monocristallin (puce ) montée dans un boîtier ou enrobée dan s un bloc de matière plastique qui laisse dépasser des connexions métalliques.

Les circuits sont gravés sur cette plaquette .

La surface de la plaquette semi­ conductrice va de quelques milliers de micromètres carrés (~m ') à quelques cm' et son épaisseur peut varier entre 150 ~m et 1 mm .

La plaquette est constituée d'une couche active et d'un substrat, ce dernier pouvant être conducteur ou non en fonction de la technologie employée.

Sur une plaquette plusieurs circuits identiques sont réalisés.

Ils sont séparés les uns des autres par sciage après la création des circuits.

RtAJ.ISATION DU SUBSTRAT Des tranches de substrat mono cristallin sont découpées dans un lingot de matériau dont l'orientation cristallo­ graphique est définie .

Le lingot s'obtient en faisant crortre un germe monocristallin au contact du matériau fondu.

Le dopage du substrat s'effectue par adjonction d'impuretés en concentration voulue dans le bain de matériau fondu .

La concentration maximale en matériau dopant est appelée« solubil~é »du dopant Pour l'arsé niure dans le silicium, la solubilité est de 10" atomes d'As par centimètre cube de Si.

Au-delà de cette concentration le dopant ne diffuse plus de façon homogène dans le semi­ conducteur, qui perd ses caractéristiques .

La concentration minimale en impuretés est liée à la capacité de raffinage du matériau .

CRLATION DE LA ZONE ACTIVE Le type de porteurs de courant et leur concentration sont différentes dans les couches actives de ceux du substrat.

La couche active s'obtient de différentes manières: • en faisant croître (par« épitaxie ») une couche monocristalline sur le substrat; • par diffusion thermique d'impuretés à la surface du substrat ; • par implantation ionique : des ions de l'impuret é de dopage sont bombard és sur la surface du substrat.

GRAVURE DES CIRCUITS La technologie la plus répandue est la technologie planaire qui se déroule en deux étapes.

Étape 1 : dépôt d'une couche de passivation Elle est obtenue par oxydation de la tranche de semi-conducteur, en la plaçant dans un four à température élevée (1 ooo·q.

Au contact de l'oxygène sec circulant dans le four, une couche d'oxyde pouvant atteindre 1 ~m d'épaisseur se forme: c'est la couche 1---------------1 de passivation.

LE TRANSISTOR BIPOLAIRE Le transistor peut être utilisé pour la réalisation de toutes sortes de fonctions analogiques (amplificateur de tension, source de courant commandée en tension ...

).

L'usage le plus fréquent est sous la forme de fonction logique , pour traduire une information binaire « 0 » ou « 1 ».

baN-®: colllcteur - Le tronsistor NPNest ~ obtenu en accolant deux b 1e jonctions PN.

La -basees! l'électrode de commande, une sorte de robinet, le collecteur, relié au pôle positif de l'alimentation sera le reflet de la base mais« amplifié», l'émetteur drainera les courants « base + collecteur ».

En régime stationnaire, les relations entre courant sont les suivantes : le= le+ lb elle= B IbO Étape 1 : photogravure Une résine photosensible est ensuite déposée sur la couche de passivation.

Après séchage dans une étuve, la résine est exposée à un rayonnement ultraviolet à travers un masque représentant le motif des circuits à graver.

La nature du rayonnement fixe l'épaisseur des traits de la gravure.

Le « développement » de la plaque dissout la résine insolée.

Par chauffage, la résine restante est polymérisée et la plaque est ensuite attaquée par un acide qui va graver les zones d'oxyde non protégées par la résine.

Pour finir, la résine photosensible polymérisée est ôtée au moyen d'un bain spécial.

Réalisation des contacts métalliques.

La métallisation de certaines zones du circuit intégré permet de créer des connexions entre différents points du circuit ou des points métalliques qui seront reliés aux pattes du circuit par l'intermédiaire de fils d 'or ou d'aluminium.

La plaquette contenant les circuits est d'abord entièrement métallisée par évaporation sous vide ou pulvérisation cathodique avant d'être dépouillée par photogravure pour ne laisser du métal que sur les zones voulues.

LA THHNOLOG1E CMOS Les circuits intégrés actuels sont réalisés en utilisant la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxyde Semi­ conductor).

Le principal avantage de cette technologie est sa faible dissipation thermique , ce qui permet une plus forte intégration (un plus grand nombre de tran sistors par unité de surface).

!:intégration des composants est actuellement limitée par les proce ssus de gravure.

Le composant réalisé sur le substrat consiste en une succession de traits qui dessinent les transistors .

Plus ces traits sont fins, plus il est possible de mettre de composants sur le circuit.

Les processu s de fabrication industrielle utilisent une gravure à 0,13 ~met des laboratoires de recherche ont expérimenté des grav ures à 0,1 et 0,065 ~m.

La fines se de la gravure est liée à la longueur d'onde de la lumière qui insole le substrat.

LES CARTES ÉLECTRONIQUES Le circuit intégré ne se suffit généralement pas à lui-même .

Les cartes électroniques sur lesquelle s sont assemblés un ou plusieurs circuits intégrés ont plusieur s fonctions : • fournir des source s d'alimentation électriques ; • connecter plusieurs circuits intégrés (interfaça ge) ; • assurer l'intégr ation mécanique des circuits électroniques dans un appareil.

Les cartes électroniques se retrouvent dans tous les équipements embarquant de l'électronique (automobile , appareils électroménage rs, etc.).

du fait que les i composants sont tout d'abord dessinées sur un document avant d'être imprimées sur le circuit lui-même.

Le circuit est constitué d'une plaque servant de support mécanique aux composants, et de pistes de cuivre qui permettent d 'assurer la liaison électrique entre les broches des composants .

L a plaque support du circuit imprimé est constituée de verre époxy (FR4}.

Les pistes et les pastilles sont en cuivre d'une épaisseur de 35 (ou 70} ~m.

Afin de pouvoir mettre en place les composants, les pastilles de cuivre sont percées en leur centre .

Les broches des composants traversent donc le support époxy.

La fixation mécanique est assurée par une soud ure qui assure aussi la liaison électrique entre la broche du et la piste de cuivre.

LE BLINDAGE Il permet de se protéger des rayonnements électromagnétiques d u milieu ambiant ou, inversement , de limiter les rayonnements des composants électroniques vers l'exté rieur .

Le blindage est effectué selon le principe de la cage de Faraday , en entourant l'ensemble des dispositifs à protéger par un matériau conducteur, le plus souvent un film métallisé.

LES MICRO-SYSTÈMES ÉLECTROMECANIQUES Appelés MEMS (Micro Electro­ Mecanichal Systems), les micro­ systèmes électromécaniques combinent des fonctions mécaniques et électroniques.

Ils sont réalisés en utilisant les même s matériau x que les semi-conducteurs et permettent une intégration poussée grâce à la cohabitation de fonctions mécaniques (moteur ), optique (miroir ) voire biochimique , à même le substrat sur lequel sont réalisés les circuits électroniques de contrôle et d'interface de ces système s.

Les principaux avantages sont une plus grande intégration des composants, une fiabilité accrue (en limitant le nombre de composants et les interfa ces entre eux) et d'autre part des coûts de réalisation et d'emballage réduits .

Ces composants sont réalisés en deux étapes : réalisation du circuit électronique sur le substrat, puis micro­ usinage du substrat pour créer le composant mécanique.

Ils permettent de fabriquer des détecteurs infrarouges, des accéléromètres, des gyroscopes ou des micro-moteurs.

Une application grand public prometteuse est celle des vidéo projecteurs et des projecteurs de cinéma numérique basés sur la technologie DLP (Digita l Light Processing ).

Ces systèmes reposent sur l'utilisation d'un circuit intégré constitué d'une matrice de micro-miroirs mesurant chacun 20 ~m de coté, montés sur des charnières .

Une source d'image numérique commande l'orientation de chacun des miroirs et détermine la quantité de lumière qui doit être projetée sur un écran .

1910 : premier dispositif semi­ conducteur , le détecteur à galène (sulfure naturel de plomb) .

Années 1930 : généralisation de l'usage de la rodio , avec ses nombre ux tubes à vide, triodes , penthod es et valves de redre ssement.

Des réce pteurs miniatures apparaissent.

Premier s essais de stéréophonie avec 2 émetteurs séparés 1 ...

guerre mondiale: utilisation de diodes à pointe au germanium pour la détectio n des signaux radar.

1945 : premier calculateur analytique multifonction entièrement numérique l'EN/AC (L 'Eiectronic Numerical lntegrat o r And Computer ), mis aux point aux États-Unis pour des usages militaire s.

L' EN lAC pesait 30 tonnes et occupait 72 m '.

1947 :découve rte fortuite de l'effet transisto r par Sockley , Brattain et Bardeen aux laboratoires américains de la sociét é Bell Telephones.

Les transisto r s à semi-conducteurs ont la propriét é d'amplifier les signaux électriques, fonction réalisée auparavant par les tubes à vide .

1958 : premier circuit intégré bipolaire.

1960 : les puces électroniques comprennent quelques transi stors .

Fin des années 1960 : maîtrise de la technolo gie MOS (Metal Oxyde Semiconductor).

1971 : Texas Instrument commercialise un circu ~ intégré pour calculatrices , le TMS180 2.

Début des circuits LSI (Large Scale Integrat ion).

1971 : processeur Intel 4004 contena nt 2 300 transistors.

1977 : lancement de l'ordinateur Apple Il.

1980 : quelques centaine s de milliers de trans istors par puce (VLSI : Very Large Scale Integration) .

1981 : lancemen ~t ~de~' ~e e=~1 personnel d'IBM (PC: Persona! Computer) .

1989 : 1 million de transistors sur une puce.

1000 : le processeur Intel Pentium 4, comprend 55 millions de transistors.

l'AMPLIFICATEUR DIFFÉRENTIEL Les omplificoteurs de tensions reposent sur le schéma d'un amplificateur différentiel.

Celui-ci possède la propriété d'amplifier au niveau des collecteur (VO} la différence de tension appliquée entre ses bornes A et B.. »

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