Circuits et composants électroniques

« llllKMNPN JliHt -Dl-diode 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.

FABRICATION DES CIRCUITS INTÉGRÉS la base de ces circuits est constituée d'une plaquette de matériau semi­ conducteur monocristallin (puc e) montée dans un boîtier ou enrobée dans 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 (µm') à quelques cm' et son épaisseur peut varier entre 150 µm et 1 mm.

La plaquette est constituée d'une couche active et d'un substra~ 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.

llùuSATION DU SUBSlUT Des tranches de substrat monocristallin sont découpées dans un lingot de matériau dont l'orientation cristallo­ graphique est définie.

le lingot s'obtient en faisant croitre 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 « solubilité » du dopant Pour l'arséniure 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.

CIUTION 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.

CÏIAWIE DES CllCUm 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 µm d'épaisseur se forme : c'est la couche 1------------- de passivation.

LE TIANSISTOR 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 • O • ou • 1 •.

~ Le traslstw ;::i._ NPN est 1o obtenu en accolant deux ~ jonctions PN.

La - baseest 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=lc+lbetlc= BlbO 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.

Réallsatloa des contacts lllétallques.

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 TECHNOLOGIE 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 transistors par unité de surface).

L'intégration des composants est actuellement limitée par les processus 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 processus de fabrication industrielle utilisent une gravure à 0,13 µm et des laboratoires de recherche ont expérimenté des gravures à 0,1 et 0,065 µm.

La finesse 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 lesquelles sont assemblés un ou plusieurs circuits intégrés ont plusieurs fonctions : •fournir des sources d'alimentation électriques ; • connecter plusieurs circuits intégrés (interfaçage); •assurer l'intégration mécanique des circuits électroniques dans un appareil.

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

Le circuit imprimé ou Printed Circ~it Boa rd (IPCB) est d e nos jours la méth od e de réalisation LE IUNIMGE Il permet de se protéger des rayonnements électromagnétiques du milieu ambiant ou, inversement de limiter les rayonnements des composants électroniques vers l'extérieur.

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 mêmes matériaux que les semi-conducteurs et permettent une intégration poussée grace 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 systèmes.

les principaux avantages sont une plus grande intégration des composants, une fiabilité accrue (en limitant le nombre de composants et les interfaces entre eux) et d'autre part des coOts 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 (Digital Light Processing).

Ces systèmes reposent sur l'utilisation d'un circuit intégré constitué d'une matrice de micro-miroirs mesurant chacun 20 µm 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.

fd:tJ:1.1utJùiH la p l us 1910 : premier dispositif semi- utilisée.

Son conducteur, le détecteur à galène no m vient (sulfure naturel de plomb).

du fait que le s co nnexio ns entre les 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.

la plaque support du circuit imprimé • lllli, est constituée de verre époxy (FR4).

les Années 1930 : généralisation de pistes et les pastilles sont en cuivre l'usage de la nulJo, avec ses nombreux tubes à vide, triodes, penthodes et valves de redressement Des récepteurs miniatures apparaissent.

Premiers essais de stéréophonie avec 2 émetteurs séparés 2'"" perre mondiale : utilisation de diodes à pointe au germanium pour la détection des signaux radar.

1945 : premier calrn1 ateur an. »