Les Circuits Intégrés et leur évolution - Les Circuits Hybrides :
2. - LES AUTRES FAMILLES LOGIQUES
Nous avons évoqué différentes
technologies mises en œuvre pour réaliser les fonctions logiques. Il s'agit
surtout de celles que l'on rencontre le plus fréquemment.
Il y en a d'autres qu'il faut
connaître aussi, certaines font déjà partie de l'histoire ancienne.
a) La R.T.L.
(resistor - Transistor - Logic), logique à
résistances et transistors PNP en logique
négative, est complètement abandonnée.
b) La R.C.T.L.
(Resistor - Capacitor - Transistor - Coupled - Logic),
logique à résistances et transistors. Les capacités intégrées étaient
placées en parallèle sur les résistances de base des transistors afin
d'améliorer la vitesse de transition des signaux.
c) La D.C.T.L.
(Direct - Coupled - Transistor - Logic),
logique à couplage direct des transistors.
Elle est l'une des premières
familles, les deux précédentes en sont des dérivées.
Ces technologies étaient des
applications directes des montages traditionnels à composants discrets. Elles
ont aujourd'hui pratiquement disparu.
Cependant, à partir des bases de
cette dernière (D.C.T.L), on réalise une
nouvelle technologie :l'I.I.L.
d) L'I.I.L.
(ou I²L
- Injection - Integrated - Logic)
ou logique bipolaire à injection. C'est une technologie récente, peu rapide
dont la consommation est très faible, ce qui permet une grande intégration
(nous parlerons de ce problème dans le chapitre concernant les circuits intégrés).
Ceci est un atout majeur dans l'avenir d'une technologie.
e) La T.D.T.L
(Tunnel - Diode - Transistor -
logic),
logique à diodes tunnel et transistors.
La diode tunnel est certainement le
dispositif de commutation le plus rapide que l'on connaisse jusqu'à présent.
Cette technologie est très peu répandue et fait encore l'objet d'études.
f) La logique non saturée :
la
C.M.L. (Current
- Mode - Logic), logique à commutation de courant.
la
C.T.L.
(Complementary
- Transistor - Logic), logique à transistors complémentaires.
l'E.C.L. (Emitter
- Coupled - Logic), logique à couplage d'émetteurs.
Ces différents procédés font
appel aux transistors bipolaires.
On sait d'une part, l'importante dans
la limitation de la rapidité de fonctionnement est due principalement au temps
mis par les transistors pour quitter l'état saturé (storage-time).
Par conséquent, sans toucher à la
structure même des transistors, il suffit de modifier le point de
fonctionnement de ceux-ci en faisant en sorte qu'à l'état conducteur, on
évite la zone de saturation.
Ainsi, les opérateurs de cette
technologie peuvent fonctionner à des fréquences très élevées.
C'est le mode logique,
commercialisé, le plus rapide actuellement.
Malheureusement, son immunité au
bruit est très faible (de 250
à 500
mV). Sa diffusion, auprès des techniciens, n'est pas très
importante.
Selon les opérateurs, le temps de
propagation varie entre 1,5 et
6
nanosecondes.
La consommation est à peu près
identique à celle de la TTL.
g) La logique à seuil
Encore appelée Threshold-Logic,
elle n'est pratiquement pas répandue, mais elle existe.
Elle a été conçue pour des
applications bien spécifiques, dans les circuits numériques à décision
majoritaire.
Elle est fondée sur le principe
des amplificateurs différentiels, chaque entrée est affectée d'un poids
différent (ou seuil de tension) et lorsque la moitié des entrées plus une
(c'est-à-dire la majorité) est à l'état 1,
la sortie change d'état.
Plusieurs fonctions sont ainsi
réalisées, mais se situent à l'écart par rapport à la logique booléenne
(on peut dire qu'il s'agit de logique à décision majoritaire).
De plus, cette technologie est
sensible aux parasites, surtout quand la majorité des entrées, moins une,
sont déjà à l'état 1.
Les résistances de polarisation
des amplificateurs différentiels doivent être de tolérances serrées pour
que les seuils soient précis, ce qui est un handicap supplémentaire à leur
réalisation industrielle.
h) Les dispositifs
C.T.D.
Ces éléments à transfert de
charge (Charge - Transfert - Devices) sont
plus spécialement destinés aux registres, aux mémoires et lignes à retard,
ainsi qu'aux dispositifs de prise de vue.
Ils sont fondés sur le principe de
l'injection d'une charge électrique dans le matériau semi-conducteur.
Cette charge est ensuite
transférée à l'aide d'un champ électrique vers la sortie.
Ce champ électrique est obtenu par
l'application d'un système de tensions sur des grilles (identiques à celles
des transistors MOS) réparties le long du
barreau de silicium.
En fonction de la distribution des
tensions, le champ électrique se propage, entraînant la charge injectée avec lui.
Si le champ reste immobile, la
charge reste stockée dans le barreau de silicium.
La conception de ces dispositifs
est très simple et permet une grande intégration. On peut, par conséquent,
envisager le développement de cette technologie dans les domaines cités au
début de ce paragraphe.
Fig. 10. - Les
différentes technologies issues du silicium (celles qui sont soulignées
sont les plus répandues).
L'aviation fut une des premières
grande consommatrice de matériel électronique. Les impératifs imposés
obligèrent les constructeurs à réduire la masse et l'encombrement de leurs appareils.
Les progrès furent surtout
spectaculaires avec la venue des semi-conducteurs.
Bien que la technique
Cordwood
ne fasse pas partie des circuits intégrés, il est bon de la citer car,
certaines réalisation étaient d'une densité de composants assez exceptionnelle.
Cette méthode consiste à placer
deux circuits imprimés parallèlement, l'un au-dessus de l'autre, les faces
cuivrées vers l'extérieur. Les composants passifs (en général, les
résistances) servent de liens et d'entretoises aux circuits imprimés.
Dans un montage de ce genre, bien
conçu, à l'intérieur du périmètre délimité par les bords des circuits
imprimés, il était possible d'y glisser un composant supplémentaire, aussi
petit fusse-t-il.
La figure 11 représente, à titre
indicatif, un circuit de ce genre.
Cette technique est le point de
départ de la course vers la miniaturisation.
3. 2. - LES COUCHES MINCES
Les composants passifs dans les
montages occupent un volume très important.
D'autre part, on sait depuis
longtemps, appliquer des dépôts conducteurs ou isolants sur des supports
appelés substrats.
Des recherches furent donc
entreprises pour réaliser de façon reproductible, sur substrat, les
composants passifs nécessaires aux circuits électroniques.
A partir de cet instant, nous
entrons dans le domaine de la micro-électronique.
Les substrats sont généralement
du verre ou de la céramique, sur lesquels on dépose successivement les
couches conductrices, résistances ou diélectriques.
Le substrat, support mécanique de
tout dispositif, doit posséder :
un coefficient de dilatation
choisi en fonction de l'utilisation du circuit.
un état de surface parfait.
une résistivité très
élevée.
Le choix des dépôts est fait en
fonction de leur destination :
l'or, le cuivre, pour les
connexions
le nichrome, l'oxyde d'étain,
pour les résistances
le verre, la silice, pour les
diélectriques
le silicium, pour les couches
semi-conductrices
Différentes techniques sont
employées pour réaliser ces dépôts. Ce sont :
la sérigraphie (réalisée avec
un pochoir en soie). On parlera plutôt de couches épaisses avec ce
procédé qui ne permet pas d'atteindre de faibles épaisseurs de dépôts.
l'évaporation ou la
pulvérisation sous vide
le dépôt par voie gazeuse
le dépôt électrolytique
le dépôt chimique
Dans chacune de ces techniques, les
dépôts sont appliqués successivement grâce à un procédé important
appelé :technique des masques.
Elle consiste en un ou plusieurs
masquages par un produit photorésistant suivis par une attaque chimique.
La figure 12-a retrace les
différentes phases de ce procédé.
On dépose sur le substrat une
première couche mince, puis on applique un produit photosensible sur cette couche.
On l'expose ensuite à un
rayonnement ultra-violet au travers d'un masque ou film.
Après révélation et rinçage de
cette couche insolée, les parties sous-jacentes qui doivent rester se trouvent
protégées par le produit photo-résistant.
On procède ensuite à une attaque
chimique, pour supprimer les parties du dépôt qui doivent disparaître.
A chaque dépôt d'une nouvelle
couche, on utilise le même procédé en ayant recours à un masque différent.
La figure 12-b donne un aperçu de
la réalisation de composants passifs en technologie couches minces (les
échelles ne sont pas respectées).
Les composants passifs sont
réalisés en couches minces. Si on prévoit, sur ces circuits, les
emplacements et les connexions, on peut y adjoindre les composants actifs, tels
que les transistors et les diodes.
Ces derniers étant présentés
sous forme de micro-boîtiers, ils sont mis en place et soudés par
micro-soudures (voir figure 13).
Par ce même procédé, on peut
aussi mettre en place d'autres composants passifs, comme des condensateurs dont
la valeur ne peut être obtenue avec les matériaux diélectriques mis en place
à l'aide des dépôts.
Des petits transformateurs peuvent
aussi être mis en place de la même façon.
Il ne reste plus qu'à protéger le
tout mécaniquement, c'est l'encapsulage.
La capsule devra comporter les connexions de sorties.
La taille des circuits hybrides
peut aller de quelques millimètres à une dizaine de centimètres.
On utilise, en général, les
boîtiers plats dès que la taille du circuit atteint 1
à 2 cm. En dessous, on fait appel aux
boîtiers type transistors (genre TO3, TO5 à sortie
multiples).
La technique du circuit hybride est
très utilisée dans les ensembles fonctionnant à très haute fréquence.
D'une manière générale, elle
apporte un meilleur rendement et une fiabilité accrue par rapport au circuit
traditionnel (câblage par circuit imprimé).
On l'utilise aussi quand le circuit
monolithique (paragraphe suivant) ne peut apporter de solution, soit parce que
la puissance dissipée est trop élevée, soit parce qu'il s'agit d'intégrer
des composants spéciaux (transformateur par exemple).
Les Circuits Intégrés et leur évolution
la
C.M.L. (Current
- Mode - Logic), logique à commutation de courant.
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