Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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  Les Circuits Intégrés et leur évolution        Les Circuits Hybrides       Bas de page


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).
A transistors effet de champ A transistors bipolaires A transistors de charge CTD
P-MOS  R.T.L.  C.C.D. 
N-MOS  D.T.L.  S.C.T. 
C-MOS  T.T.L.  B.B.D. 
  E.C.L.   
  I.I.L.   
  C.D.I.   

HAUT DE PAGE 3. - LES CIRCUITS INTÉGRÉS ET LEUR ÉVOLUTION

3. 1. - LA TECHNIQUE CORDWOOD OU FAGOT

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.

Exemple_de_realisation_en_Technique_Cordwood.gif

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.

Differentes_etapes_d_une_couche_mince.gif

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).

Realisation_de_composants_passifs.gif

HAUT DE PAGE 3. 3. - LES CIRCUITS HYBRIDES

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.

Transistor_en_micro_boitier_realise_en_boitier_TO_236.gif 

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).



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