Circuit intégré
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2008-06-27T10:10:57Z
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{{voir homonymes|CI}}
Le '''circuit intégré''' ([[Circuit intégré|CI]]), aussi appelé '''puce électronique''', est un [[composant électronique]] reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume réduit, rendant le circuit facile à mettre en œuvre.
Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : [[analogique]] et [[électronique numérique|numérique]].
[[Image:Carte vitale anonyme.jpg|thumb|Une puce sur une [[carte Vitale]].]]
== Historique ==
[[Jack Kilby]] ([[1923]]–[[2005]]) est l'inventeur du circuit intégré. En [[1958]], cet Américain, alors employé par [[Texas Instruments]], créait le tout premier circuit intégré, jetant ainsi les bases du [[matériel 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. 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 [[Conception de produit|prototype]] à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. . Ces ensembles de transistors interconnectés en circuits microscopiques dans un même bloc, permettaient la réalisation de mémoires, ainsi que d’unités logiques et arithmétiques. Ce concept révolutionnaire concentrait dans un volume incroyablement réduit, un maximum de fonctions logiques, auxquelles l'extérieur accédait à travers des connexions réparties à la périphérie du circuit<ref>{{cite journal |last = Waldner |first = Jean-Baptiste |authorlink = Jean-Baptiste Waldner |title = Nano-informatique et Intelligence Ambiante - Inventer l'Ordinateur du {{s-|XXI|e}} [http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Special:Booksources&isbn=2746215160] |publisher = [[Hermes Science]] |place = London |date = 2007 | pages = p37 |isbn = 2746215160}}</ref>. Cette découverte a valu à Kilby un [[prix Nobel]] de [[physique]] en [[2000]], alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de [[Texas Instruments]] et détenait plus de 60 [[brevet]]s à son nom.
===Circuit intégré analogique===
Les composants les plus simples peuvent être de simples [[transistor]]s en-capsulés 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.
Les [[amplificateur opérationnel|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'[[amplificateur opérationnel|ampli op]] ''LM741'' et une ribambelle de cousins.
===Circuit intégré numérique===
Les [[circuit intégré numérique|circuits intégrés numériques]] les plus simples sont des [[fonction logique|portes logiques]] (et, ou, non), les plus complexes sont les [[microprocesseur]]s et les plus denses sont les [[mémoire informatique|mémoires]]. On trouve de nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques ('''ASIC''' pour ''Application Specific Integrated Circuit''), notamment pour le traitement du signal (traitement d'image, compression vidéo...) on parle alors de [[Digital signal processor|DSP]] (pour ''Digital Signal Processor''). Une famille importante de circuits intégrés est celle des composants de logique programmable ([[FPGA]], [[Complex Programmable Logic Device|CPLD]]). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en raison de leur grande densité d'intégration.
== Composition ==
=== Le boîtier ===
[[Image:Three IC circuit chips.JPG|thumb|''Circuits intégrés boîtier [[DIP]].'']]
[[Image:Atmel atmega32 mikrokontrolleri.jpg|thumb|''Un [[microcontrôleur]] boîtier [[DIP]].'']]
Les circuits intégrés se présentent généralement sous la forme de [[boîtier de circuit intégré|boîtier]]s pleins rectangulaires, noirs, équipés sur un ou plusieurs côtés voire sur une face, de pattes (appelées aussi broches ou pins) permettant d'établir les connexions électriques avec l'extérieur du boîtier.
Ces composants sont [[brasure|brasés]], (soudé, terme impropre) sur un [[circuit imprimé]], ou enfichés, à des fins de démontage, dans des supports eux-mêmes brasés sur un circuit imprimé.
Sur le boîtier sont peints : le logo du fabricant, une référence qui 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|effet Joule]] et, bien souvent du nombre, de la taille des broches de sortie du circuit ainsi que de leur espacement.
Différents types de boîtiers permettent d'adapter le circuit intégré à son environnement de destination.
* Le format le plus ancien a pour nom pour ''[[Dual Inline Package]]'' (DIP ou DIL) qui se traduit sommairement par « boîtier avec deux lignes ».
* La miniaturisation aidant, les circuits dits de surface ont fait leur apparition : le format '''SO'''
Bien d'autres types existent :
{{Article détaillé|boîtier de circuit intégré}}
=== le Die ===
[[Image:Diopsis.jpg|thumb|right|Un ''die'' de circuit intégré [[VLSI]]]]
Le '''''die''''' est la partie élémentaire, de forme rectangulaire, reproduite à l’identique à l’aide d’une matrice sur une [[wafer|tranche de silicium]] en cours de fabrication. Il correspond au circuit intégré qui sera ensuite découpé et que l’on appellera une ''puce'' avant qu’elle ne soit encapsulée pour donner un ''circuit intégré'', prêt à être monté sur une carte.
Le ''Die'' d'un circuit intégré comprend sous des formes miniaturisées principalement des [[transistor]]s, des [[diode]]s, des [[résistance électrique|résistances]], des [[Condensateur (électricité)|condensateur]]s, plus rarement des [[inductance]]s car elles sont plus difficilement miniaturisables.
{{Article détaillé|Die (circuit intégré)}}
==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
*[[Intégration à très grande échelle|VLSI]] (''very large'') très grande : 10 000 à 99 999
*[[ULSI]] (''ultra large'') ultra grande : 100 000 et plus
Ces distinctions ont peu à peu perdu de leur utilité avec la croissance [[wikt:exponentiel|exponentielle]] 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 à de tels niveaux d'intégrations, un [[Flot de conception (Microélectronique)|flot de conception]] complexe est utilisé.
==La technique de fabrication la plus courante==
[[Image:PICT0214.JPG|thumb|Des [[microprocesseur]]s 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.
*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.
===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]].
Le silicium est un [[semi-conducteur]] dans sa forme mono-[[cristal]]line. Ce [[matériau]] doit être pur à 99,99%.
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 100 à 800 µm d'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre, appelé ''wafer'' (galette, en anglais). Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.
===La photolithogravure===
{{Article détaillé|Photolithographie}}
La photolithographie, désigne l'ensemble des opérations permettant de délimiter l'extension latérale des matériaux sur la surface d'un [[substrat]] semi-conducteur, dont la structure est plus ou moins bidimensionnelle car basée sur l'empilement de couches à la surface d'une plaquette de [[silicium]]. Les motifs deviendront par la suite les différentes zones actives des composants électroniques (exemple : contact, drain...) ou les jonctions entre ces composants. Ce procédé est actuellement le plus répandu.
====Étapes de fabrication====
[[Image:153056995_5ef8b01016_o.jpg|left|thumb|250px|Le circuit intégré d'une puce [[Intel]] 8742]]
Le nombre d'étapes de la fabrication des circuits intégrés a crû considérablement depuis 20 ans. Il peut atteindre plusieurs dizaines pour certaines productions spécialisées. Toutefois, on retrouve à peu près toujours la même série d'étapes :
* 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.
* 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 [[ultraviolet]]s, (ou aux [[rayons X]], pour les gravures les plus fines). Le vernis non soumis aux rayonnements est dissout grâce à un solvant spécifique.
* 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.
* Dopage : on dissout ensuite le vernis 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.
* Couche suivante : l'opération est renouvelée pour créer les couches successives du circuit intégré ou du microprocesseur (jusqu'à 20).
* 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 de 0,13 µm (ou 130 nm) et '''90 [[nanomètre|nm]]'''.
** En 2006, les gravures les plus fines en production sont de 60 nm et '''30 nm'''.
====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'[[Electrical Wafer Sorting|EWS]]
* Le wafer est finalement découpé au diamant ou via un procédé de découpe laser pour obtenir des ''[[Die (circuit intégré)|die]]''.
* 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.
==Technologies spécialisées==
Certaines techniques sont aussi utilisées pour des circuits intégrés de type un peu spécialisé.
===Silicium sur isolant===
Le principal défaut du CMOS réside en effet dans sa capacitance. C’est à dire la capacité interne et parasite qui ralentit la vitesse de commutation d’un transistor. A la périphérie immédiate de la source et du drain, on observe une forte accumulation de charges électriques. Ces charges résultent de la différence de potentiel entre le substrat silicium et ces parties d’épi-couche (c’est à dire de la couche de surface, proche des zones sources et drains) ionisées. A partir des années 90, on s’est intéressé à une solution appelée [[Silicium sur isolant |SOI]] ou (Silicon On Insulator, c’est à dire silicium sur couche isolante) permettant de réduire ces effets nuisibles...<ref>{{cite journal |last = Waldner |first = Jean-Baptiste |authorlink = Jean-Baptiste Waldner |title = Nano-informatique et Intelligence Ambiante - Inventer l'Ordinateur du XXIème Siècle [http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Special:Booksources&isbn=2746215160] |publisher = [[Hermes Science]] |place = London |date = 2007 | pages = p126-p127 |isbn = 2746215160}}</ref>.
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'[[électron]]s dans le circuit, sources de consommation statique d'énergie. Le silicium « à côté » des transistors n'est plus fixé à un potentiel donné, ce qui introduit des performances intéressantes (augmentation de vitesse pour les portes CMOS complexes).
===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.
===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, ainsi que ses performances supérieures à celle du silicium dans le domaine de l'[[opto-électronique]], 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.
===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<ref>{{cite journal |authorlink = Gahlin, et al |title = The Effects of Compressive Stresses on the Abrasion of Diamond Coatings} |publisher = [[Elsevier Science]] |date = 1996 | pages = p226-233}}</ref>., dont on attend beaucoup en termes de refroidissement<ref>{{cite journal |authorlink = Fuji S. et al |title = The Diamond Wafer for Saw Application} [http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Special:Booksources&isbn=0-7803-4154-6] |publisher = [[IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, US., New York]] |date = 1997| pages = p183-186 |isbn = 0-7803-4154-6}}</ref>.
== Voir aussi ==
{{Commons|integrated circuit|les circuits intégrés}}
* [[circuit imprimé]]
* [[microprocesseur]]
* [[microcontrôleur]]
* [[Fabricant de composant électronique]]
== Notes et références ==
<references />
{{Portail électricité et électronique}}
[[Catégorie:Circuit intégré]]
[[Catégorie:Fabrication de circuits électroniques]]
[[af:Geïntegreerde stroombaan]]
[[ar:دائرة تكاملية]]
[[bg:Интегрална схема]]
[[bn:সমন্বিত বর্তনী]]
[[ca:Circuit integrat]]
[[cs:Integrovaný obvod]]
[[da:Integreret kredsløb]]
[[de:Integrierter Schaltkreis]]
[[el:Ολοκληρωμένο κύκλωμα]]
[[en:Integrated circuit]]
[[eo:Integra cirkvito]]
[[es:Circuito integrado]]
[[et:Mikrokiip]]
[[fa:تراشه]]
[[fi:Mikropiiri]]
[[he:מעגל משולב]]
[[hr:Integrirani krug]]
[[hu:Integrált áramkör]]
[[id:Sirkuit terpadu]]
[[it:Circuito integrato]]
[[ja:集積回路]]
[[ko:집적회로]]
[[lt:Integrinis grandynas]]
[[lv:Integrālā shēma]]
[[mk:Интегрално коло]]
[[ms:Litar bersepadu]]
[[nl:Geïntegreerde schakeling]]
[[no:Integrert krets]]
[[pl:Układ scalony]]
[[pt:Circuito integrado]]
[[ro:Circuit integrat]]
[[ru:Интегральная схема]]
[[simple:Integrated circuit]]
[[sk:Integrovaný obvod]]
[[sl:Integrirano vezje]]
[[sq:Qarqet e integruara]]
[[sr:Интегрисано коло]]
[[sv:Integrerad krets]]
[[th:วงจรรวม]]
[[tr:Tümleşik devre]]
[[uk:Мікросхема]]
[[vi:Vi mạch]]
[[zh:集成电路]]
[[zh-yue:集成電路]]