Microélectronique

La microélectronique est une spécialité du domaine de l'électronique.

Tel que son nom le suggère, la microélectronique s'intéresse à l'étude et à la fabrication de composants électroniques à l'échelle micrométrique.

Ces composants sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs (comme le silicium) au moyen de diverses technologies dont la photolithographie. Cette technologie permet l'intégration de nombreuses fonctions électroniques sur un même morceau de silicium (ou autre semi-conducteur) et donc à un prix plus bas. Les circuits ainsi réalisés sont appelés puces ou circuits intégrés. Ils peuvent être standards ou spécifiques à une application (ils sont alors nommés ASIC : application-specific integrated circuit). Tous les composants électroniques discrets : les transistors, les condensateurs, les inductances, les résistances, les diodes et les isolants et les conducteurs ont leur équivalent en microélectronique.

Différence

• Les circuits intégrés numériques sont constitués de portes logiques (souvent des milliers, voire des millions) :
  • ceux qui comptent le moins de portes assurent des fonctions logiques simples permettant, par assemblage, la réalisation de fonctions logiques sur mesure ;
  • les mémoires sont parmi les plus denses et dorénavant assurent des fonctions de mémoire de masse, jusqu'alors réservées aux supports magnétiques ;
  • les plus complexes sont les microprocesseurs, microcontrôleurs, circuits logiques programmables (FPGA) et processeurs de signal numérique (DSP).
• Les circuits intégrés analogiques comprennent essentiellement des transistors de commande et d'amplification, en plus de condensateurs, résistances, diodes, voire des inductances. Les inductances sont essentiellement utilisées dans les circuits analogiques haute fréquence.
• Les circuits intégrés mixtes réunissent sur une même puce de silicium des fonctions numériques et analogiques.

Difficultés d'intégration

Avec l'évolution des techniques de fabrication, la taille des composants continue de décroître. Aujourd'hui (2014) des circuits en technologie 22 nm sont commercialisés largement. À l'échelle sub-micronique, certains effets physiques parasites, sans importance à plus grande échelle, deviennent prépondérants.

Les temps de propagation des signaux sont essentiellement dus aux capacités parasites d'interconnexion des éléments actifs et non au délai de traversée de ces éléments. À cela s'ajoute un problème de diaphonie entre les pistes métalliques propageant les signaux.

Le bruit en 1/f devient également important lorsqu'on travaille avec des transistors de petite taille du fait du manque de statistique (l'inhomogénéité des propriétés physiques est plus sensible à petite échelle).

Enfin, le transport des électrons dans le transistor n'obéit plus aux mêmes lois. Ceux-ci ont plus de mal à être thermalisés sur la faible distance du canal. On parle alors d'électrons chauds.

L'objectif de l'ingénierie microélectronique est d'utiliser des méthodes de conception pour limiter ces effets tout en améliorant la taille, la vitesse, la consommation électrique et le coût des composants à semi-conducteur.

Avantages

L'extrême finesse des composants permet généralement, en plus d'une diminution de taille, des gains substantiels de consommation électrique. Par ailleurs, la possibilité de réaliser des transistors MOS à canaux courts permet d'accroître leur performance (produit gain-bande passante). Les technologies CMOS sont donc très rapides tout en consommant bien moins que celles basées sur la technologie bipolaire.

Inconvénients

La miniaturisation des circuits électroniques pose malgré tout certains problèmes :

• l'accroissement du bruit en 1/f lors de l'utilisation de petit transistor ;
• la difficulté d'appariement entre transistors de petites tailles (également pour des raisons statistiques).

Voir aussi

• Fabrication des dispositifs à semi-conducteurs
• Électricité
• Électronique numérique
• Électronique analogique
• Intégration à très grande échelle