Au pays des électrons.

Edito

Vive le rêve !

En 2001, qui s’émerveille de voir un petit circuit intégré (une “puce”), de quelques mm², contenir plusieurs dizaines de millions de composants électroniques ? Alors qu’il y a seulement 40 ans, l’électronique naissait à peine ! Un ordinateur guère plus puissant qu’une calculette d’aujourd’hui, pesait alors plusieurs dizaines de tonnes et contenait des centaines de kilomètres de câbles !

Plus qu’un simple amas de métal et de plastique, tout juste bon à finir à la poubelle, un circuit électronique, pour qui veut bien le regarder, constitue un monde extraordinaire et fascinant. Cependant, il ne s’agit pas de trouver cela beau ou même intéressant, mais simplement de savoir garder sa capacité d’émerveillement pour l’ingéniosité et le travail caché, et d’en faire un support à vos rêves. Car l’émerveillement nourrit le rêve. Et les grandes découvertes sont souvent nées du rêve…

Au cœur de l’atome.

L’idée que la matière est constituée d’un assemblage de particules invisibles à l’œil, est née au V^e siècle avant notre ère, en Grèce, avec le philosophe Démocrite. Il baptisa ces particules “atomos” ce qui signifie “qui ne peut pas être coupé”. Démocrite aurait émis cette idée, après avoir observé dans une pièce sombre les fines particules de poussière révélées par un fin rayon de lumière. 

Il faudra cependant attendre 2400 ans avant que la première description scientifique des atomes ne soit possible… C’est en effet au début du XIX^e siècle que le chimiste anglais John Dalton (1766 – 1844) reprit l’idée de Démocrite. C’est ainsi qu’il découvrit les lois fondamentales des combinaisons chimiques : toutes les substances (liquides, gaz, cristaux…) sont  des combinaisons d’un certain nombre d’espèces d’atomes (Cf encadré).

Rapidement, et contrairement à ce que pensait Démocrite, les physiciens montrèrent que l’atome était en fait sécable*. Il est en effet constitué d’un noyau très petit : environ 10 000 fois plus petit que l’atome ! Et les plus gros atomes ne font que 0,00000005 Cm !  Pour se donner une idée de ce que cela représente : il faut aligner plus de 100 millions d’atomes pour atteindre un centimètre…

Le noyau est lui-même constitué de deux particules de masse presque identique, les protons et les neutrons. Autour de ce noyau, tournoient  d’autres particules : les électrons. Des particules mille fois plus petites que les protons ! Et entre le noyau et les électrons, il y a un immense… vide.

Le tableau de Mendeleïev

C’est le chimiste Russe, Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907), qui classa le premier les éléments dits “périodiques”. C’est-à-dire tous les corps simples qui constituent la nature. Le plus simple, qui porte le N°1 du tableau, est l’hydrogène (H) qui ne comporte qu’un proton et un électron. Il est suivi par l’hélium (He) qui a deux électrons, le lithium (Li) qui en a trois etc… Aujourd’hui, ce tableau comporte 115 éléments.

Comme des aimants

Vous devez vous demander comment ces particules “tiennent” ensemble ?

La réponse est “simple”. Vous avez tous fait l’expérience de prendre deux aimants et de les rapprocher l’un de l’autre. Vous avez alors remarqué que, d’un côté les aimants s’attirent (lorsque l’on met en face le pôle + et le pôle -) et, de l’autre, ils se repoussent avec force lorsque l’on met en face deux pôles de même signe. Et bien, l’atome fonctionne de la même façon. Car les protons ont une charge électrique positive alors que les électrons ont une charge négative (les neutrons n’en ont pas). De ce fait, ils s’attirent comme deux aimants et sont très solides.

Mais, nous l’avons dit, il y a entre le noyau et les électrons un grand vide. Du coup, les électrons les plus éloignés peuvent être “arrachés” à l’atome. Notre courant électrique n’est rien d’autre que la circulation d’une quantité d’électrons arrachés, par exemple, aux éléments contenus dans la pile. Et, lorsque cette dernière a perdu tous ses électrons, et bien la pile est “morte”.

La naissance de l’électronique

L’électronique, ou technique de la circulation des électrons, est née en 1904 en Angleterre, dans le laboratoire de John Ambrose Flemming (1849 – 1945). Flemming avait en effet un problème. Lorsqu’il voulait contrôler la circulation des électrons il était confronté au fait suivant : que ce soit dans l’air ou dans un fil, les électrons se heurtent à de nombreux obstacles : comme par exemple les atomes de gaz. Il imagina donc un dispositif astucieux qui allait devenir le premier composant électronique : la diode. Dans une ampoule de verre, il plaça un filament de métal, en face d’une plaque d’un autre métal. Ensuite, pour éviter tout obstacle aux électrons, il fit le vide absolu dans l’ampoule. En faisant passer un courant électrique dans le filament, ce dernier chauffe. Si la plaque qui lui fait face est chargée négativement, les électrons du filament sont repoussés et le courant ne passe plus ! Au contraire, si la plaque est chargée positivement, les électrons sont attirés et le courant passe.

En 1907, la diode est améliorée en plaçant entre le filament et la plaque une petite grille de contrôle. En chargeant plus ou moins négativement la grille, on va ainsi pouvoir contrôler avec une grande précision le flux d’électrons attirés par la plaque. C’est la naissance de la “triode”.

Diodes, triodes et autres “tubes à vide” vont régner jusqu’à la fin des années 1950. Mais les appareils électroniques ainsi réalisés, sont énormes, coûtent très cher et, surtout, marchent mal. Ces milliers de tubes, reliés par des kilomètres de câbles, tombent fréquemment en panne.

Et naquit le transistor

Le problème des pannes est résolu 1948. Ce sont des chercheurs américains (ils seront récompensés par un prix Nobel de physique en 1956), qui découvrent un nouveau composant : le transistor (Par abus de langage, le mot désigne aujourd’hui un appareil que tout le monde connaît, mais qui, à l’origine fut le premier mis à disposition du grand public contenant cette nouvelle technologie). Dans un transistor, le déplacement des électrons ne se fait plus dans le vide, mais dans un matériau solide très particulier : un “semi-conducteur”. Il s’agit de cristaux, par exemple, de silicium (symbole Si ; c’est, après l’oxygène, le corps le plus abondant de la croûte terrestre), ou de germanium (Ge). Ces cristaux ont en effet la particularité d’être assez peu (ou pas) conducteurs de courant à température ambiante, et de devenir d’excellents conducteurs au fur et à mesure que leur température augmente.

Les premiers transistors ont une taille voisine du centimètre (ce qui est un progrès fantastique de miniaturisation, par rapport aux tubes qui pouvaient atteindre jusqu’à 50 ou 80 Cm de haut !). Dix ans plus tard, ils ne font plus que trois ou quatre mm. Aujourd’hui, les transistors utilisés sont de la taille de… quelques atomes !

Pas de souris sans… puces.

En 1959,  la technologie dite “Planar”, révolutionne une nouvelle fois l’électronique, et lui donne son plein essor. Cette technologie consiste à intégrer plusieurs transistors et leurs connexions à la surface d’un même cristal de silicium. Chaque élément est connecté grâce à de minces couches de métal gravées, ce qui supprime les problèmes de soudure. Chaque composant a une taille de l’ordre du micron* ! On obtient alors un “circuit intégré”, vulgairement appelé “puce”. La microélectronique est née. En 1961, une puce contient 6 composants ; elle en contient 100 en 1966 et plusieurs dizaines de millions aujourd’hui ! Fabriqués en très grandes séries, ces circuits intégrés sont aujourd’hui devenus très bon marché. C’est grâce à cette technologie que les ordinateurs sont devenus aujourd’hui accessibles pour quelques milliers de Francs.

Pratique

Les différents composants

On peut comparer un circuit électronique à une canalisation d’eau. L’eau étant le courant d’électrons. Les résistances sont comparables à des robinets, qui vont laisser passer plus ou moins de courant. Les condensateurs, sont comme des siphons : ils se remplissent puis, lorsqu’ils sont pleins, ils se vident d’un seul coup. Les diodes sont des clapets, qui ne laissent passer l’eau que dans un sens… Avec la petite grille ci-contre, regardez un circuit électronique et reconnaissez les différents composants.

En clair

Micron : un micron (µ) = un millième de millimètre.

Sécable : que l’on peut couper.

De la fabrication des puces…

La fabrication des circuits intégrés fait appel à des technologies de pointe. Pour commencer, le concepteur doit réaliser les plans du circuit. Ceux-ci sont si complexes, que cela revient à vouloir entrer le plan d’une grande ville (Marseille par exemple), dans un Cm² ! Pour ce faire, le concepteur utilise des ordinateurs spécialisés et très puissants. Ensuite, il faut découper des tranches de silicium de quelques microns d’épaisseur. On dépose dessus une couche soit isolante, soit conductrice, que l’on va couvrir d’une résine “photosensible” (c’est-à-dire sensible à la lumière, exactement comme l’est un film photographique). De la lumière est alors projetée sur la couche de silicium, selon le plan des circuits imaginé par le concepteur et un procédé chimique va ensuite éliminer les parties qui n’auront pas été sensibilisées par la lumière. Reste donc le tracé du circuit sur lequel on peut pratiquer le “dopage” c’est-à-dire, introduire des atomes “perturbateurs” (les composants). Pour cela, il faut chauffer le silicium à 1200 °C… Plus de cent traitements différents, seront nécessaires avant que le circuit ne soit apte à travailler ! Selon la complexité du travail, seulement 40 à 60% des circuits fabriqués fonctionneront correctement. Ce qui implique que chaque circuit est contrôlé individuellement.

Toutes ces manipulations sont si minutieuses, que les fabricants utilisent des “salles blanches”, dans lesquelles peu de gens ont le droit d’entrer, et uniquement revêtus de combinaisons spéciales pour éviter que la moindre particule de poussière ne vienne troubler l’air ambiant ! Pour vous donner une idée, l’haleine d’un fumeur contient 20 000 particules à chaque expiration, trois heures après la dernière cigarette !