Circuit intégré

Un circuit intégré, ou puce électronique, réunit des composants et leurs connexions sur un support semi-conducteur. Un brevet déposé par Werner Jacobi en 1949 décrit plusieurs étages d’amplification sur un même semi-conducteur. Les compteurs des années 1950, puis les travaux de Kilby et Noyce, développent plusieurs formes d’intégration.

Ce que c’est

Un circuit intégré rassemble des composants électroniques sur un petit support semi-conducteur, avec les connexions nécessaires pour leur faire accomplir une fonction commune. La puce peut traiter des signaux, conserver une information ou produire une temporisation. Un circuit intégré n’est pas nécessairement un processeur : les composants réunis et leur dessin déterminent son travail. L’intégration réduit le nombre de pièces qu’il faut assembler séparément et les connexions à réaliser entre elles.

Le boîtier protège la puce et fournit des bornes assez grandes pour la relier à un appareil. Le NE555 est un temporisateur commercial actuel, proposé notamment dans la variante NE555P en boîtier PDIP à huit broches. Ce modèle est postérieur au prototype de Kilby. Ce modèle produit une durée ou une oscillation avec des résistances et des condensateurs extérieurs.

Comment ça marche

Les composants sont formés dans certaines régions du semi-conducteur et reliés suivant un dessin établi. Dans la structure planaire proposée par Robert Noyce, des lignes métalliques déposées au-dessus d’une couche d’oxyde relient les composants. L’oxyde sépare les conducteurs du silicium là où le courant ne doit pas passer. Des ouvertures permettent les contacts aux endroits prévus. Ce réseau de liaisons transforme des éléments voisins en un circuit utilisable ; leur simple présence sur un même morceau de matière ne suffit pas.

L’encoche permet d’orienter ce boîtier à huit broches avant de consulter son brochage.

Sur le NE555 en boîtier PDIP, la broche huit reçoit l’alimentation positive et la broche un sert de masse. La broche trois fournit la sortie. À l’intérieur, des comparateurs surveillent des tensions, puis une bascule conserve l’état commandant la sortie. Dans les montages de temporisation, un condensateur extérieur se charge ou se décharge ; ses variations de tension déterminent les changements d’état. Le délai dépend donc aussi des composants ajoutés autour de la puce. Le boîtier seul ne constitue pas une horloge complète.

Un boîtier fermé ne permet pas d’observer la taille de la puce ni de compter ses composants. Deux circuits de même silhouette peuvent avoir des fonctions et des brochages différents. Pour identifier une pièce réelle, il faut lire sa référence et consulter la documentation correspondante. Une alimentation incorrecte ou une décharge électrostatique peut endommager le composant ; les limites indiquées par le fabricant appartiennent à un modèle précis et ne se transposent pas à toutes les puces.

Comment faire

Dans une usine, une tranche de silicium reçoit successivement des couches conductrices, isolantes ou semi-conductrices. La photolithographie reporte des motifs dans une résine sensible à la lumière. Les zones ainsi définies permettent de traiter certaines régions tout en en protégeant d’autres. Ces opérations sont répétées et contrôlées pour construire les structures et les liaisons du circuit.

La fabrication répète de nombreux circuits sur une tranche avant leur séparation.

Des traitements modifient localement les propriétés du semi-conducteur ; d’autres ajoutent ou enlèvent de la matière. Des mesures vérifient le résultat pendant la fabrication. Une fois les motifs achevés, la tranche est découpée en puces individuelles, ensuite protégées par des boîtiers. La propreté de l’environnement compte : une particule déposée au mauvais endroit peut rendre un circuit inutilisable.

Ces procédés relèvent d’installations industrielles équipées pour leurs produits chimiques et leurs machines. Conservez le boîtier intact : ne l’ouvrez pas, ne le décapez pas, ne le chauffez pas et ne le meulez pas. Pour une observation sans alimentation, examinez un boîtier intact et comparez son orientation au dessin du fabricant. Un agrandissement sur papier permet de suivre l’ordre des broches sans toucher aux liaisons internes.

Histoire et évolution

En 1949, Werner Jacobi dépose un brevet décrivant plusieurs étages d’amplification sur un même semi-conducteur, avec des couplages entre étages. Le brevet est publié en 1952. Cette même année, Geoffrey Dummer propose publiquement un bloc électronique solide sans fils de connexion.

Chez IBM, Rick Dill rapporte avoir réalisé un compteur à plusieurs états pendant l’été 1954, sous la direction de Joe Logue. Arthur D’Asaro situe à la fin de 1955 le fonctionnement d’un compteur de Bell Labs réunissant plusieurs commutateurs dans une pièce de silicium. Ces récits décrivent des fonctions intégrées spécialisées.

Des éléments de germanium reliés par de fins fils d’or : ces connexions rendaient la fabrication en série difficile.

Le 12 septembre 1958, chez Texas Instruments, Jack Kilby réalise un oscillateur à partir d’éléments de germanium reliés par de fins fils d’or. Il montre qu’un semi-conducteur peut fournir des éléments actifs et passifs. Les connexions filaires rendent cependant la fabrication en série difficile.

Kilby dépose son brevet le 6 février 1959. À Fairchild, Robert Noyce s’appuie sur le procédé planaire de Jean Hoerni et propose des connexions métalliques sur l’oxyde protecteur du silicium. Il dépose son brevet le 30 juillet 1959 ; une équipe de Fairchild réalise des circuits monolithiques fonctionnels en mai 1960. L’isolation électrique des composants entre eux doit également être résolue.

Texas Instruments commercialise un dispositif en 1960, encore limité par ses connexions filaires. La voie planaire permet la production en série et reste à la base de la fabrication des circuits intégrés. Kilby et Noyce sont reconnus comme co-inventeurs pour des contributions différentes. Les puces deviennent des composants des ordinateurs et de nombreux autres équipements ; leurs fonctions dépassent le calcul d’un processeur.