La nanoélectronique ne peut être que quantique - CEA

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DLe transistor, composant de base des circuits intégrésEn décembre 1947, John Bardeenet Walter H. Brattain réalisaient lepremier transistor en germanium.Avec William B. Shockley, aux BellLaboratories, ils développaient l’annéesuivante le transistor à jonction et lathéorie associée. Au milieu des années1950, les transistors seront réalisés ensilicium (Si), qui reste aujourd’hui lesemi-conducteur généralement utilisé,vu la qualité inégalée de l’interface crééepar le silicium et l’oxyde de silicium (SiO 2 ),qui sert d’isolant.commutateurtransistorvue en coupeL g =longueur de grillesourcesourcesourceisolementgrille de commandegrillegrillecanalsubstrat Sidraindrainisolant de grilleFigure.Un transistor MOS est un commutateur qui permet de commander le passage d’un courantélectrique de la source (S) vers le drain (D) à l’aide d’une grille (G) isolée électriquementdu canal de conduction. Le substrat en silicium est noté B (pour Bulk).L gisolementdrainEn 1958, Jack Kilby invente le circuitintégré en fabriquant cinq composantssur le même substrat. Les années 1970verront le premier microprocesseur d’Intel(2250 transistors) et les premières mémoires.La complexité des circuits intégrésne cessera de croître exponentiellementdepuis (doublement tous les deux-troisans, selon la “loi de Moore”) grâce à laminiaturisation des transistors.Le transistor (de l’anglais transfer resistor,résistancede transfert), composantde base des circuits intégrés microélectroniques,le restera mutatis mutandisà l’échelle de la nanoélectronique:adapté également à l’amplification,entre autres fonctions, il assume eneffet une fonction basique essentielle:laisser passer un courant ou l’interrompreà la demande, à la manière d’uncommutateur (figure). Son principe debase s’applique donc directement autraitement du langage binaire (0, le courantne passe pas; 1, il passe) dans descircuits logiques (inverseurs, portes,additionneurs, cellules mémoire).Le transistor, fondé sur le transport desélectrons dans un solide et non plusdans le vide comme dans les tubesélectroniques des anciennes triodes,est composé de trois électrodes (anode,cathode et grille) dont deux servent deréservoirs à électrons: la source, équivalentdu filament émetteur du tubeélectronique, le drain, équivalent de laplaque collectrice, et la grille, le “contrôleur”.Ces éléments ne fonctionnent pasde la même manière dans les deuxprincipaux types de transistors utilisésaujourd’hui, les transistors bipolaires àjonction, qui ont été les premiers à êtreutilisés, et les transistors à effet de champ(en anglais FET, Field Effect Transistor).Les transistors bipolaires mettent enœuvre les deux types de porteurs decharge, les électrons (charges négatives)et les trous (charges positives), etse composent de deux parties de substratsemi-conducteur identiquement
D (Suite)dopées (p ou n), séparées par une mincecouche de semi-conducteur inversementdopée. L’assemblage de deux semiconducteursde types opposés (jonctionp-n) permet de ne faire passer le courantque dans un sens. Qu’ils soient de typen-p-n ou p-n-p, les transistors bipolairessont fondamentalement des amplificateursde courant, commandés par uncourant de grille (1) : ainsi dans un transistorn-p-n, la tension appliquée à la partiep contrôle le passage du courant entreles deux régions n. Les circuits logiquesutilisant des transistors bipolaires, appelésTTL (Transistor Transistor Logic), sontplus consommateurs de courant que lestransistors à effet de champ, qui présententun courant de grille nul en régimestatique et sont commandés par l’applicationd’une tension.Ce sont ces derniers, sous la forme MOS(Métal oxyde semi-conducteur), quicomposent aujourd’hui la plupart descircuits logiques du type CMOS (C pourcomplémentaire) (2) . Sur un cristal desilicium de type p, deux régions de typen sont créées par dopage de la surface.Appelées là aussi source et drain, cesdeux régions ne sont donc séparées quepar un petit espace de type p, le canal.Sous l’effet d‘une tension positive surune électrode de commande placéeau-dessus du semi-conducteur et quiporte tout naturellement le nom de grille,les trous sont repoussés de sa surfaceoù viennent s’accumuler les quelquesélectrons du semi-conducteur. Un petitcanal de conduction peut ainsi se formerentre la source et le drain (figure).Lorsqu’une tension négative est appliquéesur la grille, isolée électriquementpar une couche d’oxyde, les électronssont repoussés hors du canal. Plus latension positive est élevée, plus larésistance du canal diminue et plus cedernier laisse passer de courant.Dans un circuit intégré, les transistors etles autres composants (diodes, condensateurs,résistances) sont d’origine incorporésau sein d’une “puce” aux fonctionsplus ou moins complexes. Le circuit estconstitué d’un empilement de couchesde matériaux conducteurs ou isolantsdélimitées par lithographie (encadré E,La lithographie clé de la miniaturisation,p. 37). L’exemple le plus emblématiqueest le microprocesseur placé au cœurdes ordinateurs et qui regroupe plusieurscentaines de millions de transistors (dontla taille a été réduite par 10000 depuisles années 1960) et bientôt un milliard,ce qui amène les industriels à fractionnerle cœur des processeurs en plusieurssous-unités travaillant en parallèle!Le tout premier transistor.Transistor 8 nanomètres développépar l’Alliance Crolles2 réunissantSTMicroelectrronics, Philips et FreescaleSemiconductor.STMicroelectronicsLucent Technologies Inc./Bell Labs(1) Figurent dans cette catégorie les transistors de type Schottky ou à barrière Schottky qui sont des transistors à effet de champ comportant unegrille de commande de type métal/semi-conducteur qui améliore la mobilité des porteurs de charge et le temps de réponse au prix d’une plus grandecomplexité.(2) On parle alors de transistor MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
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