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électronique

James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell

Partie de la physique qui étudie et utilise les variations de grandeurs électriques (champs électromagnétiques, charges électriques, courants et tensions électriques) pour capter, transmettre et exploiter de l'information ; technique dérivant de cette science.

La particularité de l'électronique est de s'intéresser non pas aux courants eux-mêmes ou à l'énergie qu'ils transportent mais à l'information qu'ils sont capables de véhiculer. La diode, le transistor et le « circuit intégré linéaire », ou amplificateur opérationnel, sont les composants élémentaires des multiples « chaînes électroniques » (radio, télévision, chaîne stéréo, ordinateur) qui ont peu à peu envahi notre vie quotidienne.

Les phénomènes de base

À la base de l'électronique se trouvent des phénomènes liés aux propriétés de l'électron.

Les rayons cathodiques

Si l'on établit entre deux électrodes placées dans une enceinte où la pression gazeuse est de l'ordre du millième de millimètre de mercure une tension de plusieurs milliers de volts, quelques électrons arrachés à l'électrode positive sont accélérés à des énergies suffisantes pour provoquer par choc contre les molécules du gaz résiduel une ionisation, c'est-à-dire une perte d'électrons de ces molécules. Il apparaît un véritable courant d'électrons. Par l'action de champs électriques et magnétiques, on a pu déterminer ainsi la charge et la masse de l'électron.

La conduction dans les solides cristallisés

Lorsque des atomes sont assemblés de manière à former un cristal, les interactions qu'ils subissent du fait de leur proximité agissent sur leurs couches électroniques. Les couches profondes sont peu perturbées, et leurs électrons restent localisés autour du noyau. En revanche, la couche externe est profondément modifiée. Les électrons de cette couche ne sont plus localisés autour d'un atome, et leur énergie a une valeur comprise dans une certaine bande dite « bande de valence ». Si cette bande n'est pas entièrement remplie, le matériau est un métal, et l'application d'un champ électrique aura pour effet de superposer à une vitesse d'agitation thermique grande (de l'ordre de 1 500 km/s dans le cuivre à température ordinaire), mais de moyenne nulle, une vitesse de déplacement d'ensemble de l'ordre de 1 mm/s dans le sens inverse du champ électrique. C'est ce déplacement qui constitue le courant électrique dans les métaux. Si, au contraire, la bande de valence est entièrement remplie, on dit que l'on a affaire à un isolant ou à un semi-conducteur.

Les autres effets

Dans un métal, le nuage des électrons libres ne peut quitter le cristal par suite de l'existence en surface d'une barrière de potentiel. Mais, si on porte le métal à une température élevée, l'agitation thermique fournit à certains des électrons l'énergie nécessaire pour franchir cette barrière. C'est l'effet thermoélectronique. En mettant ce métal dans une enceinte à vide poussé et en appliquant entre lui et une autre électrode, appelée « plaque », une différence de potentiel, on peut recueillir les électrons ainsi émis. C'est le principe de la diode, ou valve. On peut aussi fournir l'énergie nécessaire au franchissement de la barrière de potentiel en éclairant le métal avec de la lumière de longueur d'onde suffisamment courte (en général, rayonnement ultraviolet). C'est l'effet photoélectrique, qui est notamment à la base du fonctionnement des cellules photoélectriques.

Le fonctionnement d'une chaîne électronique

Les chaînes électroniques (radio, télévision, chaîne stéréo, ordinateur), désormais omniprésentes, sont constituées de trois étages aux fonctions différentes : un capteur, un amplificateur et un dispositif de restitution de l'information. L'étage capteur transforme une grandeur physique en tension ou en courant électrique : un micro traduit une variation de pression sonore en variation de tension ; une tête de lecture de magnétophone, une aimantation variable en courant ; une cellule photoélectrique, une différence d'éclairement en tension. Le rôle de l'étage amplificateur, qui comporte toujours des transistors ou des amplificateurs opérationnels, est de traiter ces grandeurs électriques, dont l'amplitude est généralement faible, afin qu'elles puissent être traduites de façon sonore, visuelle, ou autre, par l'étage de restitution (un haut-parleur, un écran, une simple diode électroluminescente ou un relais actionnant un moteur). La qualité de la restitution dépend bien sûr de la qualité du dispositif électronique, et les exigences sont très différentes selon le domaine d'utilisation considéré : télécommunications, informatique, mesures industrielles ou médicales, ou encore électronique dite « grand public ».

L'évolution future

Une intégration de plus en plus poussée

Depuis la naissance des circuits intégrés, le nombre de transistors par puce double tous les quinze mois, car les dimensions des transistors et de leurs connexions métalliques ne cessent de décroître : elles sont désormais inférieures au millionième de mètre (μm). Les progrès de l'intégration n'ont pas seulement permis de réaliser des systèmes de plus en plus complexes sur une seule puce, ils ont aussi considérablement réduit le coût de réalisation d'une fonction.

Pour reculer les limites de l'intégration, de nouvelles techniques de fabrication (lithographie par faisceau d'électrons ou rayons X) sont mises en place afin d'affiner encore le dessin des circuits. Pour loger plus d'éléments dans une puce, certains fabricants tentent de les placer non plus horizontalement mais verticalement, donnant ainsi naissance à de véritables circuits en trois dimensions.

De nouveaux matériaux

Le silicium a encore de belles années devant lui (on pense pouvoir descendre la largeur des pistes d'un circuit intégré de ce type jusqu'à 0,1 μm), mais on étudie, en outre, de nouveaux matériaux, dont le principal avantage réside moins dans leur capacité à intégrer plus de transistors que dans leur aptitude à fonctionner plus vite grâce à une commutation plus rapide. Tel est le cas de l'arséniure de gallium (AsGa), déjà utilisé pour certains circuits et dont on prévoit qu'il permettra de produire, à nombre de transistors égal, des circuits cinq fois plus rapides que le silicium.

L'utilisation d'effets nouveaux

Par ailleurs, de nombreux chercheurs étudient la supraconductivité, phénomène quantique pouvant apparaître dans certains solides à basse température et essentiellement caractérisé par la disparition brutale de la résistivité électrique. L'effet Josephson, du nom du physicien britannique qui le découvrit au début des années 1960, pourrait permettre de réaliser des circuits consommant bien moins et commutant bien plus vite que toute autre technologie existante. Mais leur mise en œuvre est encore extrêmement délicate.

L'intégration « tranche entière »

Des laboratoires étudient ce que les spécialistes appellent l'intégration « tranche entière » : plutôt que de fabriquer, sur une tranche de substrat, des centaines de circuits identiques, pourquoi ne pas intégrer directement un circuit et un seul, bien plus important ? Les problèmes de conception, de fabrication (l'une des principales difficultés étant d'obtenir des tranches ne présentant aucun défaut), de mise au point et d'utilisation sont nombreux, et cette technique n'en est qu'à ses premiers balbutiements.

Autres recherches

Les recherches menées sur les transistors à effet quantique et l'électronique moléculaire peuvent se révéler porteuses de bouleversements aussi importants que l'invention du transistor.

Repères chronologiques

1904 : invention de la diode par le Britannique J. A. Fleming.

1906 : invention de la triode par l'Américain L. De Forest.

1948 : invention du transistor par les Américains J. Bardeen, W. Brattain et W. Shockley.

1958-1959 : mise au point du circuit intégré par les Américains J. Killy (Texas Instruments) et R. Noyce (Fairchild).

1964 : premier ordinateur utilisant des circuits intégrés (IBM 360).

1971 : commercialisation du premier microprocesseur (Intel 4004, 2 300 transistors).

2000 : commercialisation du Pentium 4 de Intel, un microprocesseur renfermant 42 millions de transistors et fonctionnant sur une fréquence de 1,4 GHz.