Semi-conducteur et transistor

Composants essentiels de tout ordinateur, les semi-conducteurs, souvent appelés circuits intégrés, puces ou micropuces, sont utilisés dans un large éventail d'appareils, notamment le matériel de télécommunications, les appareils électroniques grand public, les appareils électroménagers et même les automobiles. En effet, au cours de la dernière décennie, non seulement les puces ont envahi un nombre croissant de produits, mais elles ont enrichi sans cesse les fonctionnalités de produits existant, en plus de favoriser la création de nouveaux produits. Grâce à ces applications novatrices, l'industrie mondiale des semi-conducteurs a réalisé des ventes évaluées à près de 200 milliards de dollars en 1995, tandis que l'industrie de la micro-électronique canadienne, quant à elle, a représenté près de 1 milliard de dollars en chiffre de ventes pendant cette même année.

Applications

Le rythme vertigineux des percées technologiques survenues dans le domaine des semi-conducteurs (tous les deux ans environ, la capacité des puces est doublée, et leur prix, réduit de moitié : c'est la loi de Moore) a favorisé l'essor des puces aussi bien dans les systèmes électroniques complexes que dans de nombreux produits grand public (comme les ordinateurs personnels, les calculatrices, les jeux vidéo, les voitures, les machines à coudre, les magnétoscopes à cassettes et les fours à micro-ondes).

Grâce aux puces, les produits électroniques grand public sont maintenant dotés de capacités toutes nouvelles. C'est le cas du lecteur de disques audionumériques (cédéroms), qui peut jouer en mode aléatoire une sélection de pièces provenant de plusieurs disques sans en répéter aucune, ou encore d'un appareil radio pouvant balayer le spectre de fréquences jusqu'à ce qu'une station soit synthonisée. Les puces ont également permis d'équiper les voitures de pièces, tels que des systèmes de freinage capables, par chaussée glissante, de pomper les freins pour éviter les dérapages.

Parallèlement, les puces ont largement favorisé la création de nouveaux produits grand public. Citons, par exemple, les cartes à puces intelligentes dont les microprocesseurs et la mémoire intégrées permettent d'assurer la sécurité de certains lieux et d'en contrôler l'accès, ou encore permettent aux titulaires de régler le paiement d'achats sur place et de faire des appels d'un téléphone public sans avoir d'abord à faire la chasse à la petite monnaie. Cependant, les fabricants d'ordinateurs restent les plus grands utilisateurs de puces. À eux seuls, les ordinateurs personnels représentent environ la moitié des puces vendues dans le monde entier.

Structure

Le transistor, développé par les Laboratoires Bell de la société AT&T; en 1948, est le composant de base d'un circuit intégré. Un transistor est un interrupteur électronique qui contrôle les signaux électriques circulant sur la puce. Un circuit intégré est une tranche de silicium sur laquelle de multiples transistors sont disposés sous forme des configurations complexes qui, d'ailleurs, sont devenus toujours plus concentrés et plus complexes depuis la construction des premiers circuits intégrés par les sociétés américaines Texas Instruments et Fairchild Semiconductor en 1959.

Les fabricants de puces réussissent toujours à comprimer un nombre croissant de transistors dans les puces aussi minuscules que la surface d'un ongle. On en distingue couramment deux types : les puces LSI (intégration à grande échelle), dont la densité d'intégration est telle qu'elles comprennent 10 000 transistors et plus, et les puces VLSI (intégration à très grande échelle) dont la miniaturisation permet de regrouper des centaines de mille et des millions de transistors. Au début des années 80, les puces qui comptaient 250 000 transistors représentaient la fine pointe de la technologie des semi-conducteurs. Pourtant, le microprocesseur Pentium Pro d'Intel lancé en 1995, et qu'on retrouve dans près de 90 p. 100 des ordinateurs personnels fabriqués aujourd'hui, intègre 5,5 millions de transistors.

Les technologies axées sur les puces VLSI sont plus rapides, plus fiables, plus compactes, se transportent mieux et sont moins onéreuses et énergivores que celles de la dernière génération. On estime qu'il coûtera deux ou trois fois plus cher de fabriquer un produit intégrant dix puces standard qu'un produit utilisant une puce VLSI. Dans la même veine, le prix des ordinateurs et d'autres articles électroniques tend à baisser de façon appréciable lorsque les fabricants privilégient des puces sur mesure, c'est-à-dire des puces conçues précisément pour incorporer les composants électroniques nécessaires dans moins de circuits intégrés possibles. C'est pourquoi le marché des puces sur mesure ou semi-personnalisées conçues en fonction de buts particuliers gagne constamment en importance.

Les puces standard ou polyvalentes ont dominé le marché au cours des années 70 et 80. Quant aux puces personnalisées, appelées également circuits intégrés à application spécifique (ASIC), elles n'ont commencé à s'imposer que durant les années 80. C'est une sous-catégorie de ces dernières, les puces semi-personnalisées, qui a le mieux percé, atteignant des ventes de près de 7,94 milliards de dollars en 1994. Pour fabriquer cette sorte de puce, on combine un certain nombre de « cellules » de façon innovatrice pour accomplir des tâches particulières, ou alors on utilise des puces partiellement préfabriquées en vue de ces fonctions spéciales. Moins chères et moins compliquées à concevoir et à produire que les puces entièrement personnalisées, leurs ventes se sont élevées à 3,72 milliards de dollars en 1994. De nouvelles technologies (comme la conception assistée par ordinateur, les chaînes de montage automatisées et les unités à faisceaux ioniques et à tranches inscriptibles) vont probablement réduire de manière substantielle le coût de fabrication des puces spécialisées.

Production

La production des puces suit deux phases : la conception et la fabrication. La première phase est la plus coûteuse et la plus longue. En effet, la conception d'une puce VLSI peut prendre plusieurs années et coûter des millions de dollars. La fabrication, quant à elle, consiste à établir les configurations complexes des transistors et de leurs connexions, souvent sur plusieurs couches de silicium. Compte tenu des propriétés élevées de réaction, la fabrication des puces exige un appareillage hautement sophistiqué et des locaux soigneusement contrôlés, appelés salles stérilisées.

On commence par produire des tranches d'environ 15 à 20 cm de diamètre avant de les découper pour en faire des puces. Malgré toutes les précautions, certaines présentent des défectuosités et sont donc rejetées. On appelle rendement le nombre moyen de bonnes puces par tranche. D'ordinaire, le rendement s'accroît au fil de l'évolution de la technologie associée à la fabrication de ce type de semi-conducteurs.

L'industrie canadienne

Le Canada n'a que trois fabricants de puces, aussi appelés « unités de production de tranches » : NORTHERN TELECOM LTÉE (Nepean, Ontario) MITEL CORPORATION (Bromont, Québec) et Gennum Corp (Burlington, Ontario). Bien qu'on prévoie la construction de 140 usines de puces dans le monde entier entre 1995 et 2000, il n'y a aucun projet ferme d'en construire une autre au Canada, et ce, depuis les années 70. Toutefois, cela n'empêche pas de nombreuses sociétés canadiennes de concevoir des puces et de les faire fabriquer ailleurs, notamment en Extrême-Orient. C'est le cas d'ATI Technologies Inc, une société située à Markham, en Ontario, dont les circuits intégrés permettent de rehausser les qualités graphiques intégrées aux ordinateurs personnels, et également de Northern Telecom qui confie ailleurs la fabrication d'un grand nombre de ses puces, car ses besoins dépassent la capacité de production de ses installations à Nepean.

Voir aussi INFORMATIQUE, INDUSTRIE DE L' et ÉLECTRONIQUE, INDUSTRIE DE L'.