Introduction aux circuits intégrés
Le circuit intégré, également appelé IC ou micropuce, est l'une des grandes inventions du XXIe siècle. Presque tous les produits électroniques que nous utilisons aujourd'hui contiennent des puces intégrées. Mais savez-vous qui est le véritable inventeur du circuit intégré ?
L'inventeur des circuits intégrés
Présentation de Jack Kilby
- En 1923, Kilby est né dans le Missouri, aux États-Unis.
- En 1947, Kilby obtient son diplôme à l'université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
- En 1958, Kilby rejoint Texas Instruments Semiconductor Corporation.
- En 1958, Kilby invente le premier circuit intégré de l'histoire de l'humanité.
- En 2000, Kilby a reçu le prix Nobel de physique pour l'invention du circuit intégré.
- En 2005, Kilby décède d'un cancer à Dallas, au Texas, à l'âge de 81 ans.
Le premier circuit intégré au germanium - 1958
Comme mentionné ci-dessus, Kilby a rejoint Texas Instruments Semiconductor en 1958.
À cette époque, Texas Instruments et le Corps des communications des États-Unis travaillaient ensemble sur un projet appelé Micromodule Initiative (Micromodule). L'objectif de recherche de ce projet était d'unifier la taille et la forme des composants électroniques des circuits imprimés, tels que les transistors, les résistances et les condensateurs, afin de normaliser le processus d'interconnexion, de réduire l'espace occupé par les circuits et de diminuer la difficulté et le taux d'erreur liés au soudage.
Kilby ne trouvait pas l'idée d'un projet de micromodule très bonne, alors il a commencé à bosser sur une meilleure solution.
Au début, Kilby a imaginé un remplacement. Cependant, après une analyse des coûts, il s'est avéré que le coût était trop élevé pour permettre une production en série. Il s'est donc retrouvé face à un dilemme.
En août 1958, la situation s'est améliorée. Inspiré par le célèbre scientifique Geoffrey Dummer du Royal Radar Institute, Kilby a découvert que des microcircuits extrêmement petits composés de nombreux dispositifs pouvaient être fabriqués sur une seule puce. En d'autres termes, différents dispositifs électroniques tels que des résistances, des condensateurs, des diodes et des transistors peuvent être fabriqués sur des puces en silicium et connectés à l'aide de fils fins.
Cette idée géniale l'a rendu très enthousiaste. Ce jour-là, il a consigné ses réflexions en détail dans son carnet et a même conçu un processus de circuit complet, écrivant cinq pages entières.
Immédiatement après les vacances, Kilby a fait part de son idée à son supérieur direct, Willis Adcock (alors directeur du développement chez Texas Instruments). Il a proposé de fabriquer un circuit de déclenchement à des fins de vérification.
La première réaction de Willis Adcock fut de trouver ce projet un peu lourd et peu fiable. Cependant, après mûre réflexion, il accepta à contrecœur la suggestion de Kilby.
Kilby commença donc à mettre son plan à exécution. Au départ, Kilby prévoyait d'utiliser du « silicium » comme substrat pour fabriquer des circuits. En août 1958, il fabriqua des transistors à jonction, des résistances et des condensateurs à partir de silicium (Si), mais il n'y avait aucun moyen de les intégrer. En septembre 1958, il fabriqua un circuit intégré à partir de germanium (Ge) qui ne mesurait que 7/16 pouces sur 1/16 pouces. Le circuit est un oscillateur à transistor unique avec rétroaction RC, et l'ensemble est collé sur une lame de verre et semble très rudimentaire. Les composants du circuit sont reliés par des fils fins et désordonnés.
Sous les yeux de ses collègues, Kilby a connecté dix volts à l'entrée et l'oscilloscope à la sortie. Au moment de la connexion, une forme d'onde oscillante d'une fréquence de 1,2 MHz et d'une amplitude de 0,2 volt est apparue sur l'oscilloscope.
Kilby a réussi et a créé le premier circuit intégré au monde composé d'un seul matériau. La fonction de ce dispositif est très simple : générer une onde sinusoïdale.
Il est intéressant de noter que la première puce utilisait du germanium à la place du silicium. Au début, l'industrie a décidé que cela n'en valait tout simplement pas la peine. Seule l'armée américaine s'est intéressée à ce concept. Kilby lui-même a déclaré : « À l'époque, ce n'était qu'un sujet de divertissement lors des conférences technologiques. Mais heureusement, l'armée américaine l'a soutenu.
Le 6 février 1959, Texas Instruments et Kilby ont déposé une demande de brevet auprès de l'Office américain des brevets. Dans le document, Kilby décrit son nouveau dispositif comme « un matériau semi-conducteur… dans lequel tous les composants du circuit électronique sont entièrement intégrés ».
Le 6 mars 1959, l'American Society of Radio Engineers (qui deviendra plus tard l'IEEE) a tenu son assemblée annuelle à New York. Texas Instruments a organisé une conférence de presse très médiatisée au prestigieux hôtel Waldorf Astoria pour présenter officiellement l'invention de Kilby.
Mark Shepherd, alors directeur de la division semi-conducteurs de Texas Instruments (qui deviendra plus tard président de Texas Instruments), déclare lors d'une conférence de presse : « Il s'agit de l'invention la plus importante depuis que Texas Instruments a annoncé son entrée sur le marché des transistors.
Le premier circuit intégré en silicium - 1959
Au moment où Kilby inventait le circuit intégré, un autre homme réalisait également une percée dans le domaine des circuits intégrés. Il s'agit de Robert Norton Noyce, de Fairchild Semiconductor. Il fut également l'un des fondateurs ultérieurs d'Intel.
Ce processus consiste à ajouter une couche d'oxyde de silicium à la plaquette de silicium afin de former une couche isolante. Ensuite, des trous sont percés dans cette couche de silice isolante, et des dispositifs fabriqués à partir de la technologie de diffusion du silicium sont connectés au film d'aluminium.
La naissance de la technologie planaire a permis à Fairchild de fabriquer des transistors en silicium haute performance de très petite taille et a rendu possible la connexion de dispositifs dans des circuits intégrés.
Le 23 janvier 1959, Noyce écrivait dans ses notes de travail : « La fabrication de divers dispositifs sur la même plaquette de silicium et leur assemblage à l'aide d'un procédé plan peuvent permettre de produire des circuits électroniques multifonctionnels. » Cette technologie permet de réduire la taille, le poids et le coût des circuits.
Noyce fut choqué lorsque Texas Instruments annonça l'invention de Kilby. Noyce regretta de ne pas avoir agi assez rapidement. D'un autre côté, il trouva que l'invention de Kilby présentait en réalité de graves défauts.
Les circuits intégrés de Kilby étaient reliés par des fils volants, ce qui ne permettait pas du tout une production en série et leur conférait une valeur pratique nulle.
L'idée de Noyce est de fabriquer des plaques négatives à partir de tous les circuits et composants individuels d'un appareil électronique, puis de les graver sur des plaquettes de silicium. Une fois la plaquette de silicium sculptée, tous les circuits peuvent être utilisés directement pour assembler le produit. De plus, la méthode de dépôt par évaporation de métal peut remplacer le fil de soudure thermique, éliminant ainsi complètement les fils volants.
Le 30 juillet 1959, Noyce déposa un brevet basé sur son idée : « Dispositifs à semi-conducteurs – Structure filaire ».
Utilisation commerciale des circuits intégrés
En mars 1960, Texas Instruments a officiellement lancé le premier circuit intégré commercial au monde, le flip-flop binaire multirésonant bistable en silicium 502, basé sur la conception de Jack Kilby, au prix de vente de 450 dollars. Il s'agit de la première puce commerciale développée par TI. La structure interne de la puce est illustrée dans la figure ci-dessous :
La figure suivante en présente un schéma. On constate que la structure de cette puce est très simple, puisqu'elle comprend deux transistors, quatre diodes, six résistances et deux condensateurs.
En 1961, Fairchild Semiconductor a commercialisé le premier circuit intégré. Depuis lors, tous les ordinateurs, en particulier les cartes mères, utilisent des puces intégrées à la place des circuits à transistors discrets.
Après leur apparition, les circuits intégrés ont d'abord été utilisés dans le domaine militaire (à l'époque la plus sensible de la guerre froide). En 1961, l'armée de l'air américaine a utilisé pour la première fois des circuits intégrés à base de plaquettes de silicium, et en 1962, ceux-ci ont été installés dans le missile balistique intercontinental Zouave.
Le succès des applications militaires a conduit à l'expansion du marché civil. En 1964, Zenith a utilisé des circuits intégrés dans des appareils auditifs, ce qui constituait la première utilisation de circuits intégrés dans le domaine civil. Depuis lors, le coût des circuits intégrés a progressivement diminué, le processus a été continuellement amélioré et ils ont été progressivement acceptés par l'industrie.
En 1967, l'équipe de Kilby a mené à bien le développement d'une nouvelle calculatrice miniature, la première calculatrice électronique portable au monde, la Pocketronic.
En 1970, Intel a lancé le premier circuit intégré DRAM (mémoire vive dynamique) au monde, le 1103.
En 1971, Intel a lancé la première puce informatique programmable au monde comprenant une unité de calcul et un contrôleur : l'Intel 4004. Avec ses 2 300 transistors, l'Intel 4004 était le premier microprocesseur au monde. Sa naissance a marqué le début de l'ère des micro-ordinateurs.
Litige concernant un brevet entre Kilby et Noyce
Pour être honnête, l'invention de Noyce est plus proche du circuit intégré au sens moderne du terme. La conception de Neuss repose sur un procédé plan sur substrat de silicium, tandis que celle de Kilby repose sur un procédé de diffusion sur substrat de germanium. S'appuyant sur les avantages technologiques de Fairchild en matière de silicium, le circuit de Neuss est en effet plus avancé que celui de Kilby.
Cependant, les circuits intégrés hybrides de Kilby présentent déjà les caractéristiques des circuits intégrés et ont été utilisés plus tôt.
En conséquence, Texas Instruments, l'entreprise de Kilby, et Fairchild Semiconductor, l'entreprise de Noyce, se sont livrées à une guerre acharnée pour les brevets.
À propos du procès, Kilby a déclaré : « Personne ne soupçonnerait que j'ai été le premier à fabriquer des circuits intégrés. Le Dr Noyce a été le premier à faire ce que je voulais faire : utiliser du métal évaporé pour fabriquer des fils entre les dispositifs. L'approche du Dr Noyce est très différente de ce que j'ai fait. Il a dit qu'il me comprenait en tant que co-inventeur, mais je ne le pensais pas.
La Cour fédérale américaine récompense l'inventeur des circuits intégrés
En 1966, le tribunal a finalement attribué à Kilby l'invention des circuits intégrés (circuits intégrés hybrides), ainsi que les droits d'invention du processus d'emballage et de fabrication des circuits intégrés qui est aujourd'hui très répandu, attribués à Noyce.
Kilby est connu comme « l'inventeur du premier circuit intégré », tandis que Noyce est celui qui « a élaboré la théorie des circuits intégrés adaptés à la production industrielle ».
La même année, Texas Instruments et Fairchild ont conclu un accord de licence croisée pour partager leurs brevets sur les circuits intégrés.
En 1969, un tribunal fédéral américain a statué que les brevets sur les circuits intégrés déposés par les deux sociétés étaient des inventions indépendantes parallèles.
Au total, Jack Kilby a déposé plus de soixante brevets d'invention. Il a reçu la médaille américaine des sciences en 1970.
Robert Noyce, dont l'invention détient plus de 16 brevets, a fondé Intel Semiconductor, qui a ensuite fabriqué le premier microprocesseur.
