Cet article fait partie du DOSSIER consacré à l'électricité.

 Ensemble de dispositifs et de milieux dans lesquels peut circuler un courant électrique.

Économie

 Schéma de représentation simplifiée de l'économie d'un pays montrant l'interdépendance des différents groupes d'agents au stade de la production et de la consommation.

Électronique

 Circuit intégré, circuit de faible dimension comportant un grand nombre de composants actifs et passifs, réalisé sur une mince plaquette de silicium.

À travers la notion de circuit apparaissent l'unité de la société économique et l'interdépendance des divers flux : flux réels, ceux des produits et des facteurs de la production ; flux monétaires, circulant entre les groupes sociaux et formant les revenus des uns et les dépenses des autres. Le tableau économique de François Quesnay, en 1758 déjà, veut montrer une analogie entre la circulation des biens et de la monnaie dans le corps social et la circulation du sang dans le corps humain. Avec Jean-Baptiste Say, on retrouve l'idée du circuit entrepreneurs-consommateurs ; Auguste Cournot précisera le principe de l'interdépendance générale en matière économique ; Léon Walras combinera ces idées.

L'analyse du circuit met en évidence le rôle joué par les groupes sociaux et par la monnaie, permettant de mieux comprendre le fonctionnement de l'économie d'un pays. Par cette analyse, le rôle des divers flux monétaires qui s'établissent entre les groupes sociaux est mieux connu. Si, par exemple, les flux de pouvoir d'achat se trouvent modifiés parce qu'un groupe social dépense plus qu'il n'a reçu, la conjoncture économique en subira le contrecoup. Le problème central consiste à déterminer les conditions qui permettent de régulariser les flux et d'assurer un niveau stable d'activité.

Les caractéristiques des circuits électriques

Un circuit électrique (ou réseau) comporte des éléments actifs, ou sources d'énergie (générateurs et récepteurs), et des éléments passifs pouvant être représentés par un certain nombre, soit fini (circuit à constantes localisées), soit infini (circuit à constantes réparties) d'éléments idéaux caractérisés par l'une des 4 grandeurs : résistance R, capacité C, inductance propre (ou self-inductance) L, inductance mutuelle M. La loi d'Ohm permet d'exprimer la tension v(t), différence de potentiel aux bornes de l'élément, en fonction du courant i(t) qui le parcourt.

Dans un circuit maillé, on appelle :

branche, une suite d'éléments connectés en série et traversés par le même courant ;

nœud, le point de concours de plusieurs branches ;

boucle, tout ensemble de branches formant un parcours fermé ;

arbre, tout ensemble connexe de branches joignant tous les nœuds sans former de boucles ;

liaison d'un arbre, toute branche du réseau n'appartenant pas à cet arbre ;

coarbre, l'ensemble des liaisons d'un arbre ;

maille, la boucle formée par l'adjonction d'une liaison à un arbre.

Les principales lois des courants

Les courants sont reliés par les deux lois de Kirchhoff : selon la loi des nœuds, la somme algébrique des courants aboutissant à un nœud est nulle et, selon la loi des boucles, la somme algébrique des tensions aux bornes des branches constituant une boucle est nulle.

En régime continu, une branche quelconque bb′ est caractérisée par sa force électromotrice (f.é.m.) équivalente E et sa résistance équivalente R ; en désignant par V la tension entre b et b′ et par I le courant passant de b à b′, la loi d'Ohm s'écrit V = + E + RI, les signes + et − dépendant du signe de la f.é.m.

En régime harmonique, les tensions et les courants sont des fonctions sinusoïdales du temps de pulsation ω = 2πf.

Les relations entre les valeurs complexes de la tension et du courant s'écrivent, en posant j² = −1 :

pour une résistance R,  ;

pour une capacité C,  ;

pour une inductance L, .

Dans une branche quelconque du réseau caractérisée par sa f. é. m. équivalente et par son impédance complexe , la relation entre la tension complexe et le courant complexe s'écrit .

L'équation fondamentale du circuit magnétique, déduite du théorème d'Ampère, est la relation d'Hopkinson NI = ℛΦ, expression où NI est la force magnétomotrice du circuit (mesurée en A), Φ le flux d'induction (en Wb), et ℛ la réluctance (en H⁻¹). La formule d'Hopkinson peut se généraliser à tous les circuits magnétiques, quelle que soit leur complexité.

Introduction

Microprocesseur

Calculettes, machines à laver, chaînes hi-fi, ordinateurs : les composants électroniques, et plus particulièrement les circuits intégrés, ces petites plaquettes de silicium, encore appelées « puces », réunissant des centaines, des milliers, voire des millions de composants de base (des transistors), sont devenus, en une quarantaine d'années, des acteurs fondamentaux du progrès. Le développement de l'informatique leur est directement lié : un ordinateur, grosso modo, n'est jamais qu'un ensemble – savamment organisé – de circuits intégrés auxquels un « programme » dicte la conduite à tenir. Les techniques de conception et de fabrication allant s'améliorant au fil des années, les circuits intégrés, à volume égal, contiennent un nombre grandissant de transistors, autorisant, du coup, le développement d'ordinateurs toujours plus puissants dans un espace toujours moindre – car plus un circuit peut contenir de transistors, plus nombreuses sont les fonctions qu'il est capable d'accomplir. Le « cœur » (l'unité centrale qui traite les informations en exécutant les instructions du programme) des petits ordinateurs, les fameux micro-ordinateurs, tient, aujourd'hui, sur une seule puce de silicium, autrement dit un seul circuit intégré, que l'on appelle microprocesseur. Et l'histoire des composants n'en est qu'à ses débuts. Les recherches vont bon train. On en attend la mise en œuvre de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication qui devraient permettre une intégration encore plus importante et une rapidité de fonctionnement accrue. Demain, un ordinateur entier tiendra sur une puce.

Dates clés des circuits intégrés

Du transistor à la « puce »

L'électronique fait appel à des circuits véhiculant des courants faibles. À l'origine, au début du XX^e s., ces circuits étaient constitués de composants appelés « discrets » (car chacun ne remplissait qu'une seule fonction), tels que les résistances, les bobines ou les tubes électroniques. Une étape importante fut franchie en 1948, grâce à l'invention, aux États-Unis, par des ingénieurs des Laboratoires Bell, du transistor. Moins gourmand en énergie que son ancêtre, le tube à vide, il est beaucoup plus fiable, adapté à la production en grande série et moins encombrant. Il peut être employé comme amplificateur de signal mais aussi comme interrupteur. Dans ce dernier cas, le courant « passe » ou ne « passe » pas. Cette particularité est intéressante pour le traitement numérique de l'information, fondé sur l'emploi du codage binaire qui utilise les seules valeurs « 0 » et « 1 » pour représenter n'importe quel nombre. Physiquement, le « 0 » correspond à un état où la tension est inférieure à une valeur fixée, le « 1 » à celui où elle lui est supérieure. En associant plusieurs transistors, on peut réaliser des circuits simples, appelés portes, capables d'effectuer certaines opérations, les plus connues étant les « et » et les « ou » de la logique booléenne (des règles logiques permettent de connaître l'état de la « sortie » de la porte en fonction des états, 0 ou 1 toujours, qui lui sont appliqués à son ou ses entrées). De même, on réalise des circuits additionneurs ou de mémorisation en associant plusieurs portes.

Au début de l'électronique, les composants étaient fixés sur des broches et câblés entre eux par des fils. Dans les années 1950 sont apparues les cartes à circuits imprimés, où les fils sont « intégrés » dans la carte qui supporte les composants. Puis les composants eux-mêmes ont été intégrés sur de petites plaques de silicium. Les propriétés de ce matériau sont modifiées par l'ajout volontaire d'impuretés permettant de réaliser des « jonctions » qui formeront des transistors miniaturisés et organisés selon la fonction que l'on désire obtenir.

Techniques de création et de fabrication

À la fin des années 1950, le premier circuit intégré contenait un seul transistor. En 1989, les puces peuvent abriter plusieurs millions de transistors. Cette extraordinaire évolution est due au perfectionnement croissant des méthodes de fabrication et de conception des circuits. Pour concevoir une puce, on définit, tout d'abord, ses caractéristiques. Puis on dessine et on place chacun des composants – chacun des transistors et ses interconnexions – par rapport aux autres. Les circuits intégrés sont aujourd'hui si complexes qu'il est devenu nécessaire de les concevoir sur des ordinateurs (on parle de C.A.O., conception assistée par ordinateur) qui permettent également de simuler le comportement du circuit et de vérifier son fonctionnement. Pour fabriquer le circuit, on transforme tout d'abord le silicium brut, grâce à différents procédés chimiques et physiques, en barres de silicium pur (monocristallin) que l'on découpe en tranches très fines, appelées wafers. Ces tranches, dont le diamètre peut aller jusqu'à vingt centimètres, vont contenir des centaines de circuits intégrés identiques, obtenus par une succession de procédés que l'on peut regrouper en trois grandes étapes : modification des propriétés du silicium par implantation (ou « dopage ») d'impuretés, dépôt d'une couche de produit photosensible qui, insolé à travers un « masque », reproduit les dessins des circuits, et enfin gravure des parties insolées. Les connexions entre les transistors sont réalisées grâce au dépôt de matériau conducteur tel que l'aluminium. À l'issue du processus de fabrication, les circuits sont découpés et encapsulés dans des boîtiers en matière plastique ou en céramique. Toutes ces opérations ne peuvent se dérouler que dans un milieu parfaitement propre : on travaille, ici, sur des éléments d'une taille du millième de millimètre auxquels toute particule de poussière pourrait être fatale. La fabrication des circuits intégrés s'effectue donc dans des salles dites « blanches », à l'atmosphère strictement contrôlée.

Microprocesseurs et circuits associés

Vue interne d'un microprocesseur

• Vue externe d'un microprocesseur

La micro-électronique a permis la mise au point de circuits très complexes, de dimensions réduites, d'un faible coût. L'unité centrale des ordinateurs – effectuant calculs et commandes venant du programme – a ainsi été peu à peu miniaturisée pour aboutir au microprocesseur, une puce qui remplace, à elle seule, une carte bardée de dizaines de composants plus simples. Le premier circuit du genre, le 4004, commercialisé par Intel au début des années 1970, a été initialement conçu pour répondre aux besoins d'un fabricant de calculettes. Très simple, il ne savait traiter simultanément que quatre informations binaires (appelées bits). La firme américaine a depuis créé une véritable dynastie de microprocesseurs aux fonctionnalités toujours plus complexes, que les plus grands fabricants de micro-ordinateurs ont utilisés pour bâtir leurs machines. Aujourd'hui, les microprocesseurs savent traiter les informations sur 32, voire 64 bits, et, si leurs performances ne permettent pas encore aux micro-ordinateurs d'offrir des puissances comparables à celle des gros ordinateurs, la distance qui sépare l'informatique de la micro-informatique se réduit tous les jours. Les microprocesseurs ne jouent plus seulement le rôle d'unité centrale : les plus perfectionnés d'entre eux intègrent également des fonctions qui nécessitent, pour d'autres, l'usage de circuits séparés, tels que coprocesseur arithmétique ou unité de gestion de la mémoire. Parallèlement, on a mis au point des circuits capables, tout comme les microprocesseurs, de traiter les informations, mais bénéficiant en supplément d'une mémoire dans laquelle le programme dictant la conduite à tenir est stocké : baptisés microcontrôleurs, ils sont essentiellement utilisés dans des applications industrielles et grand public. Certains microprocesseurs sont désormais bâtis sur une architecture dite RISC (Reduced Instruction Set Computer), qui permet de réaliser des puces puissantes mais aussi plus simples : sur une même surface de silicium, on peut ainsi intégrer encore plus de fonctions.

Circuits standards et circuits spécifiques

La micro-électronique est devenue une industrie si florissante que l'on trouve, dans le catalogue des fabricants, des circuits intégrés capables de réaliser des fonctions analogiques ou numériques éminemment variées. Mais les utilisateurs de ces circuits, les constructeurs de matériels informatiques, industriels, militaires ou grand public, compte tenu de la diversification et de la complexification croissante de leurs produits, ont, de plus en plus, besoin de puces très spécifiques. Les circuits dits « à la demande », autrement dit mis au point et fabriqués pour un seul client, s'ils ne sont pas produits en quantités énormes, coûtent très cher. Les fabricants réalisent donc des circuits à mi-chemin entre le sur-mesure et le prêt-à-porter, des ASIC (Application Specific Integrated Circuit, littéralement « circuit intégré spécifique à une application »), qui font appel à des cellules fonctionnelles standards que l'on choisit dans une véritable « bibliothèque » de fonctions et que l'on assemble selon les impératifs du cahier des charges défini par le client. Certains circuits, dits semi-personnalisés, sont préfabriqués sous la forme de réseaux de portes ou de cellules logiques, câblés ensuite en fonction des besoins du client. Dans tous les cas, la conception assistée par ordinateur est largement mise à contribution pour développer ces circuits, dont les bibliothèques sont de plus en plus utilisées aussi pour la mise au point des composants standards.