À la découverte du silicium, l’élément chimique de base des ordinateurs

Qu’est-ce qu’une dune de sable, un vase en porcelaine, un cristal de quartz ou encore une bouteille en verre ont en commun avec un ordinateur ? Réponse : ils sont tous composés d’un élément chimique essentiel : le silicium. Sans le silicium, l’informatique moderne telle que nous la connaissons n’auraient jamais été. Mais qu’est-ce que le silicium, cet élément qui est à la base des circuits électroniques de nos ordinateurs modernes, de nos téléphones portables et même de la quasi-totalité des appareils électroniques et qui a donné son nom à la fameuse Silicon Valley ? Et pourquoi est-il si important ? Comment a-t-il révolutionné les technologies de l’information ? Pourquoi est-il devenu si populaire ? Et peut-on s’en passer ? C’est ce que nous allons découvrir dans cet article. Plongeons dans l’univers passionant de cet élément chimique silicium miracle qui compose le sable des plages et les puces électroniques de nos ordinateurs. L’informatique est une discipline très abstraite. Alors revenons un peu sur Terre et partons à la découverte du silicium, un matériau bien concret ! C’est parti !

Le silicium, qu’est-ce que c’est ?

Un élément très abondant

Le silicium est un élément chimique essentiel non seulement pour la technologie moderne, mais aussi pour notre planète. Représentant environ 28% de la croûte terrestre, il est le deuxième élément le plus abondant après l’oxygène¹.

⚠️ PETITE PARENTHÈSE IMPORTANTE : silicon est la traduction anglaise de silicium. À ne pas confondre avec le silicone, qui se dit également silicone en anglais et qui est un polymère synthètique fabriqué à partir de silicium, d’oxygène, de carbone et d’hydrogène !

Si tu as déjà étudié les principes de base de la chimie, tu trouveras le silicium dans le tableau périodique des éléments chimiques de Mendeleïev sous le symbole « Si » :

Le silicium est omniprésent dans la nature, principalement sous forme de dioxyde de silicium (SiO₂), que l’on retrouve notamment dans les cristaux de quartz ou encore le sable (dont la plupart des grains sont justement composés de quartz). Une grande partie des roches de la croûte terrestre, comme le granite et le basalte, est composée de minéraux de silicate, qui sont des composés de silicium, d’oxygène, et d’autres éléments.

Le silicium est un métalloïde

Bien que le silicium soit un élément solide, il n’est pas considéré comme un métal comme l’or ou l’aluminium. Il s’agit d’un métalloïde.

La différence entre un métal et un métalloïde réside principalement dans leurs propriétés physiques et chimiques :

• Métal : Les métaux sont généralement :
  • brillants ✨,
  • bons conducteurs de chaleur et d’électricité ⚡️,
  • malléables (ils peuvent être façonnés 🛠️)
  • et ductiles (ils peuvent être étirés en fils 🧵).
  • Exemples de métaux : fer, cuivre, or.
• Métalloïde : Les métalloïdes possèdent des propriétés intermédiaires entre les métaux et les non-métaux. Ils peuvent conduire l’électricité mais moins efficacement que les métaux. Leur comportement chimique peut varier en fonction des conditions, parfois se rapprochant de celui des métaux, parfois de celui des non-métaux. Autres exemples de métalloïdes : germanium, arsenic, bore.

Le silicium est un semi-conducteur

Et justement, comme nous le verrons plus loin, l’atout principal du silicium pour les technologies de l’information est qu’il est un semi-conducteur, c’est-à-dire qu’il peut se comporter à la fois comme :

• un conducteur : conduit l’électricité
• et un isolant : ne conduit pas l’électricité.

J’y reviendrai…

Les utilisations du silicium

On utilise le silicium dans de nombreux domaines tels que l’environnement, la médecine, la construction ou encore la verrerie. Voici quelques exemples de technologies et matériaux fabriqué à l’aide de silicium :

Mais revenons au domaine des technologies de l’information ! On utilise aussi le silicium pour fabriquer les puces électroniques qui composent nos ordinateurs.

Et plus précisément, pour fabriquer une quantité phénoménale de transistors qui composent ces puces.

Des transi-quoi ?? Et elles servent à quoi ces puces exactement ?

Pour pouvoir comprendre pourquoi le silicium est si important pour nos ordinateurs, je démystifierai plus loin ces deux composants électroniques.

Principaux producteurs de silicium

Selon le site World Population Review, les 5 pays qui produisent le plus de silicium (c’est-à-dire qui l’extraient et le purifient) dans monde en 2024 sont:

1. 🇨🇳 La Chine : 6’000 tones de silicium
2. 🇷🇺 La Russie : 580 tonnes
3. 🇧🇷 Le Brésil : 390 tonnes
4. 🇳🇴 La Norvège : 350 tonnes
5. 🇺🇸 Les États-Unis : 310 tonnes

Source : Silicon Production by Country 2024, WorldPopulationReview.com

Kudos pour la Norvège qui apparaît en quatrème position malgré sa petite taille par rapport aux quatre autres pays ! 🏅

Le silicium est un élément très précieux en informatique et on le considère souvent comme « l’or digital« . 💻🪙✨

Lien avec la Silicon Valley

Tu as sûrement déjà entendu parler de la Silicon Valley, cet Eldorado des geeks situé en Californie, aux États-Unis, et qui est devenu le symbole de l’innovation technologique et des startups, un lieu où se concentrent les géants du numérique et où l’esprit d’entreprise et la rupture technologique façonnent le futur de l’industrie, avec des entreprises comme Apple, Google, et Facebook qui symbolisent cette révolution.

Eh bien, la traduction française de son nom est la « vallée du silicium ».

Dans les années 1950 et 1960, cette région est devenue un pôle de l’industrie électronique, notamment pour la production de semi-conducteurs à base de silicium. Le silicium a donc donné son nom à cette région. C’est autour de cette industrie que se sont développées les premières grandes entreprises technologiques, façonnant la Silicon Valley telle qu’on la connaît aujourd’hui.

Pourquoi le silicium est-il si essentiel aux ordinateurs ?

OK, c’est super tout ça, mais quel est le lien avec les ordinateurs ? Voyons cela tout de suite !

Fabrication des transistors

Le silicium est essentiel à la fabrication des transistors utilisés dans la quasi-totalité de nos appareils électroniques.

Bien que certains transistors soient fabriqués à partir de matériaux comme l’arséniure de gallium ou encore le nitrure de gallium, la grande majorité des transistors sont à base de silicium.

Mais c’est quoi au juste, un transistor ? 🤔

Qu’est-ce qu’un transistor ?

Le transistor, c’est la brique Lego de base des ordinateurs (on peut également considérer nos téléphones portables comme des ordinateurs de poches).

Comme je le vulgarise dans l’article L’ordinateur sous la loupe, que je t’invite à lire si tu n’es pas déjà familier avec le sujet, un transistor est un composant électronique qui contrôle le flux d’électricité ⚡️ en agissant comme un petit interrupteur électronique qui laisse passer un courant électrique (état dit « 1 » ou « on » ou «  »allumé« ) ou ne le laisse pas passer (état dit « 0 » ou « off » ou « éteint« ) en fonction d’une tension électrique qui lui est appliquée. D’où le fonctionnement des ordinateurs sur la base de codes binaires (les « 1 » et les « 0 »), car en tant que machines basées sur l’électricité, les ordinateurs ne comprennent que la présence ou l’absence d’électricité, donc 2 états (= binaire).

Le transistor, c’est comme un interrupteur électronique.

Un transistor standard prend la forme d’un petit composant électronique de la taille d’un pouce voire un peu plus petit.

Comme tu peux le voir sur la photo ci-dessus, un transistor possède trois pattes : l’émetteur et le collecteur, qui permettent au courant de circuler entre deux points du circuit, et la base (la patte du milieu), qui contrôle ce passage de courant. C’est en agissant sur cette troisième patte, la base, qu’on peut « allumer » ou « éteindre » le circuit, comme on le ferait avec un interrupteur. Cependant, au lieu d’appuyer avec un doigt, on applique une tension électrique à la base pour laisser passer ou bloquer le courant.

Types de transistors utilisés dans les ordinateurs

Il existe de nombreuses variétés de transistors, mais voici celles qui sont le plus utilisées dans un ordinateur ainsi que leurs applications :

• MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) aussi appelés « transistors à effet de champ » :
  Utilisés pour les opérations logiques et les calculs numériques, composants de base dans les CPU et la mémoire vive (RAM).
• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) :
  Utilisés pour la gestion de l’énergie et circuits à faible consommation, également couramment utilisés dans les processeurs et mémoires, particuliprement appréciés pour leur faible consommation d’énergie.
• Les transistors bipolaires (BJT – Bipolar Junction Transistors) :
  Utilisés pour l’amplification des signaux analogiques, moins utilisés aujourd’hui dans les systèmes numériques.
• FinFETs (Fin Field-Effect Transistor) :
  Transistors 3D modernes utilisés pour les processeurs à haute performance, utilisés dans les CPU et GPU.

« C’est bien joli tout ça, mais comment crée-t-on un ordinateur à partir d’un interrupteur électronique ? »

J’y viens…

La miniaturisation des transistors 🔬

Les ordinateurs, qui sont des machines très complexes, ont besoin de millions, voire, de nos jours, de milliards de transistors interconnectés pour fonctionner et effectuer toutes les tâches qu’on attend d’eux. Cela pose le challenge technique suivant :

Par quelle magie peut-on créer des circuits électroniques comprenant une telle quantité de transistors ?

Eh bien, en les miniaturisant ! On miniaturise les transistors dans un assemblage d’on appelle un circuit intégré. 🔍

Aujourd’hui, la miniaturisation des transistors est telle que nous parvenons à en produire d’une taille de seulement 5 nanomètres (nm), soit 15 000 fois plus petit que l’épaisseur d’un cheveu humain² ! Cela permet d’intégrer des milliards de transistors sur une puce de quelques centimètres.

La loi de Moore 📈

Au fil des décennies, les transistors deviennent de plus en plus petits suites aux avancées technologiques. Et on arrive à intégrer de plus en plus de transistors sur un circuit.

En 1965, Gordon Moore, cofondateur d’Intel, observa cette tendance selon laquelle le nombre de transistors sur un circuit intégré, et donc la puissance de calcul, double environ tous les deux ans, tandis que le coût des composants diminue. Cela signifie que les processeurs deviennent de plus en plus puissants et efficaces à un rythme exponentiel.

Cette observation est connue sous le nom de la loi de Moore. Et tou(te)s les informaticiennes et informaticiens la connaissent (obligé, aucune excuse ! ☝️).

Le graphique ci-dessous illustre la loi de Moore en montrant que, de 1970 à 2020, le nombre de transistors contenus dans un circuit intégré double environ une année sur deux :

Mais depuis quelques années, la loi de Moore est de plus en plus remise en question.

[…]

Le résultat est qu’aujourd’hui, les nouveaux processeurs informatiques ne comptent pas tous le double des transistors de leurs prédécesseurs. Mais ils apportent un niveau de performance supérieur, à tel point qu’on arrive ces jours-ci à un stade où les limites de l’informatique ne sont plus matérielles. Elles sont humaines.

[…]

— Article La loi de Moore n’est plus, vive la… loi de Moore! par Alain McKenna, sur le site LeDevoir.com, publié le 17 juin 2023

Mais ceci dit, bien que les progrès en matière de miniaturisation des transistors soient de plus en plus difficiles à atteindre, la loi de Moore continue d’influencer l’industrie de manière plus large. Plutôt que de simplement doubler la densité des transistors, les innovations se tournent vers des solutions alternatives, comme l’empilement 3D des puces ou l’optimisation logicielle. Les performances informatiques continuent donc d’augmenter, mais par des voies différentes de celles initialement prévues par la loi de Moore.

Les circuits intégrés

La miniaturisation des transistors dans les circuits intégrés a commencé dans les années 1960, peu après l’invention de ces dermiers par Jack Kilby en 1958 chez Texas Instruments et Robert Noyce chez Fairchild Semiconductor en 1959.

Un circuit intégré, c’est un un ensemble de composants électroniques miniaturisés, dont nos fameux transistors et d’autres composants électroniques (résistances, condensateurs) interconnectés entre eux. On grave ces composants sur une fine plaquette de matériau semi-conducteur, généralement du silicium. Le circuit ainsi créé est conçu pour accomplir des tâches spécifiques, telles que traiter des informations ou amplifier des signaux.

Au départ, les circuits intégrés contenaient seulement quelques dizaines de transistors, mais la miniaturisation s’est rapidement accélérée avec les avancées technologiques.

Pour la petite histoire, avant la miniaturisation des composants, l’ENIAC qui fut le premier ordinateur électronique en 1945, utilisait presque 20’000 tubes à vide³ (l’ancestre du transistor). Chacun de ces tubes à vide pouvant mesurer plusieurs dizaines de centimètres, il fallait disposer d’une très large surface pour accueillir un tel ordinateur !

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Voici à quoi ressemblent ces tubes à vide :

Assez volumineux, par rapport aux transistors, non ?

« Oui mais comment on fait pour miniaturiser tout ça ? Avec une baguette magique ?? 🪄 »

À l’aide d’un procédé très sophistiqué qu’on appelle la photolithographie. Mais un peu de patience ! Nous verrons cela plus loin.

Les premiers circuits intégrés

Donc en 1958, Jack Kilby créa le premier circuit intégré avec une plaquette de germanium (un autre métalloïde).

Eh oui ! Difficile à croire comme ça, mais ce que tu vois ci-dessus n’est ni l’expression gastrique d’une nuit bien alcoolisée ni le résultat d’une expérience de cuisine ratée ni une œuvre d’art contemporain, mais bien une réplique du premier circuit intégré inventé par Jack Kilby. Évidemment, il était beaucoup plus rudimentaire. Kilby a utilisé un seul transistor. Mais c’était suffisant pour démontrer le concept. On pouvait alors passer à l’étape suivante et créer des circuits intégrés intégrant plusieurs transistors !

En 1959, Robert Noyce perfectionna le concept avec l’usage du silicium qui était moins coûteux, plus abondant et plus fiable sur le long terme (entre autres avantages que nous aborderons).

Mais… et les puces électroniques dans tout cela ?

Sans plus attendre, … 🥁

Les puces électroniques

On utilise souvent les termes « circuit intégré » et « puce électronique » de manière interchangeable. Mais il y a toutefois une petite nuance !

Un circuit intégré, c’est le circuit de composants gravés sur la plaquette semi-conductrice, tandis qu’une puce électronique, c’est le composant électronique complet qui renferme et protège le (ou les — car il peut y en avoir plusieurs) circuit(s) intégré(s) des conditions extérieures.

En résumé, on fabrique les ordinateurs à l’aide, entre autres, de petits composants de quelques millimètres à plusieurs centimètres qu’on appelle des puces électroniques. Ces dernières renferment un voire plusieurs circuits intégrés qui sont des assemblages de milliards de transistors gravés sur une plaquette semi-conductrice (généralement du silicium).

On intègre ces puces électroniques dans les différents circuits électroniques et composants matériels des ordinateurs, mais aussi de nos téléphones portables, appareils connectées et la quasi-totalité de nos appareils électroniques actuels.

À quoi sert une puce électronique ?

Contrairement aux puces des chiens qui sont des parasites, les puces électroniques sont essentielles au bon fonctionnement d’un ordinateur. Ce sont de mini-cerveaux électroniques 🧠 intégrées aux différents circuits de l’ordinateur. Elles remplissent une voire plusieurs tâches spécifiques, comme par exemple, effectuer des calculs, gérer la mémoire, coordonner les communications entre différents composants, et exécuter des instructions essentielles pour le bon fonctionnement des logiciels. Elles sont donc vitales pour que l’ordinateur puisse traiter l’information rapidement et efficacement.

Et donc une puce électronique, ce mini-cerveau, est un assemblage de millions voire milliards de petits interrupteurs (transistors) interconnectés, qui laissent passer (ou pas) l’électricité à différents endroits. Exactement comme les neurones de notre cerveau !

Et pourquoi utilise-t-on du silicium et pas un autre matériau ?

Il y a de bonnes raisons pour lesquelles on utilise cet élément chimique pour fabriquer nos puces électroniques depuis plus d’un demi-siècle plutôt qu’un autre. En voici les principales :

• Abondance 🌍
• Faible coût 💰🔻
• Propriétés de semi-conducteur ⚡ / 🛑🔌
• Gap énergétique idéal 🔋➡️⚡
• Dopabilité 🧪🚀
• Isolant naturel 🛡️
• Infrastructure et maturité technologique 🏗️

Voyons cela plus en détail…

⚠️ CAVEAT : À part les deux premiers points (Abondance et Faible coût), les points suivants sont assez techniques. J’essaierai donc de faire de mon mieux pour les rendre accessibles et compréhensibles pour tout le monde.

Mais avant cela, si tu ne sais pas ce qu’est un électron et/ou que tu ne sais pas/plus du tout ce qui se cache derrière l’électricité… :

CLIQUE ICI si tu veux une petite récap’ express en 9 points sur l’électricité ⚡ afin de bien comprendre ce qui suit.

1. L’électricité, c’est essentiellement un déplacement d’électrons dans un matériau conducteur, typiquement un métal.
2. Un électron est une particule si petite qu’elle ne peut pas être observée au microscope conventionnel.
3. Les atomes, les briques de base qui constituent la matière, sont composés d’un noyau central (composé de protons et de neutrons) entouré d’un nuage d’électrons qui gravitent à grande vitesse autour de ce noyau.
4. Ce nuage d’électrons est organisé en une ou plusieurs couches électroniques.
5. Pour former la matière, les atomes se lient entre eux pour former des molécules.
6. Dans un matériau conducteur, un ou plusieurs électrons de la couche externe d’un atome peuvent se détacher de leur atome d’origine et circuler librement d’atome en atome à travers le matériau. Ce flux d’électrons est ce qu’on appelle l’électricité.
7. En électricité, on parle de charge positive (+) et charge négative (–) pour décrire les deux types de charges électriques qui existent dans la nature.
8. La charge négative est portée par les électrons, tandis que la charge positive est portée par les protons.
9. Les charges opposées s’attirent (+ et -), tandis que les charges identiques se repoussent (+ et +, ou – et -).

Abondance 🌍

Comme je l’ai mentionné au début de cet article, le silicium est abondant et on le trouve partout dans la nature, le plus souvent mêlé à de l’oxygène sous la forme de dioxyde de silicium (SiO₂), c’est-à-dire de quartz (dont la plupart des grains de sable sont composés).

Faible coût 💰🔻

Qui dit rare dit cher, donc qui dit abondant dit bon marché. Récolter du silicium brut, dans sa forme SiO₂, est ainsi peu coûteux.

Il y a toutefois une nuance à apporter : bien qu’on puisse obtenir le silicium brut à faible coût, le processus de purification requis pour fabriquer des puces électroniques est coûteux et énergivore ! Mais cette différence est compensée par la valeur du produit final obtenu.

Propriétés de semi-conducteur ⚡ / 🛑🔌

C’est avant tout cette propriété qui est recherchée pour fabriquer des transistors : sa semi-conductivité.

Mais qu’est-ce que ça signifie ?

Comme je l’ai mentionné plus haut, un matériau semi-conducteur est un matériau qui peut agir comme un conducteur (d’électricité) ou un isolant, en fonction de certaines conditions.

Pour rappel, un conducteur laisse passer l’électricité ⚡, tandis qu’un isolant ne la laisse pas passer. 🛑

Si tu as déjà vu un câble électrique, tu as sans doute remarqué qu’il est composé d’un fil métallique (généralement en cuivre) recouvert d’une couche de plastique.

Tu peux toucher la couche en plastique sans danger car elle agit comme un isolant, mais si tu touches la partie métallique, tu risques de te faire électrocuter, en fonction de la nature et de l’intensité du courant électrique, car il agit comme un conducteur. ⚡️😵 (Expérience à ne pas reproduire chez soi ! 😉)

Dans un transistor, on peut contrôler son silicium pour que ce dernier agisse soit comme un conducteur soit comme un isolant. Et ceci en appliquant, ou non, une tension électrique à la base du transistor.

C’est de cette manière qu’un transistor agit comme un interrupteur électronique. À la différence qu’on applique une pression du doigt sur un vrai interrupteur pour qu’il fasse passer ou non l’électricité, alors qu’on applique un courant électrique sur un transistor.

Gap énergétique idéal 🔋➡️⚡

Le silicium possède égament un gap énergétique idéal pour les composants électroniques, qui permet de contrôler précisément la conductivité en fonction de la température ou du dopage (point suivant). Il peut agir comme un isolant ou un conducteur en fonction des conditions, ce qui le rend parfait pour les transistors.

Je n’entrerai pas trop dans les détails techniques, mais voici une petite métaphore pour comprendre ce qu’est ce gap énergétique :

Le gap énergétique est comme une barrière 🚧 qui sépare le parking (où les électrons sont au repos) de l’autoroute (où ils peuvent circuler). Pour qu’un électron quitte le parking et commence à circuler sur l’autoroute (c’est-à-dire, pour qu’il conduise de l’électricité), il doit sauter par-dessus cette barrière.

• Si cette barrière est très haute (comme dans les isolants), il est presque impossible pour les électrons de sauter, et le matériau ne conduit pas l’électricité.
• Si la barrière est très basse (comme dans les métaux), les électrons peuvent facilement sauter et commencer à circuler, ce qui rend le matériau bon conducteur.
• Dans un semi-conducteur comme le silicium, la barrière est intermédiaire. Les électrons peuvent parfois sauter cette barrière et circuler, mais seulement si on leur donne un petit coup de pouce, par exemple en appliquant une tension électrique ou en modifiant légèrement le matériau.

Dopabilité 🧪🚀

Un autre atout du silicium est qu’il peut être dopé !

Comment ça, « dopé » ?

Éclaircissons ce point qui n’a rien à voir avec le Tour de France. 🚴

À l’état naturel, le silicium brut, qu’on extrait du sable ou du quartz, est un très mauvais conducteur d’électricité. Il contient beaucoup d’impuretés (éléments autres que du silicium). Pour pouvoir l’exploiter, on doit le purifier, c’est-à-dire le débarrasser le plus possible tout autre atome qui n’est pas du silicium.

Pour être exploitable, il doit être pur à 99.99999%, c’est-à-dire que seul 1 atome sur 1 milliard a le droit d’être quelque chose d’autre qu’un atome de silicium ! Et pour ce faire, on doit faire appel à un processus de purification très énergivore que nous verrons plus loin. On appelle le silicium ainsi purifié le silicium de grade électronique (= exploitable pour créer des circuits électroniques).

« Et voici notre silicium débarrassé de la quasi-totalité de ses impuretés ! C’est super ! Maintenant, on peut créer des circuits intégrés ! 😄 »

Eh bien non, pas encore !

« BOUUUUUH ! 😠 »

Malgré cette purification, le silicium a une structure cristalline qui limite le mouvement des électrons, ce qui empêche le flux libre d’électricité. En d’autres termes, le silicium pur est toujours un mauvais conducteur d’électricité.

« Tout ça pour ça ? 😢 »

Et ça pose un problème, car pour pouvoir fabriquer nos transistors, on doit disposer de silicium dont on peut contrôler la conductivité électrique. C’est le but !

Et c’est là qu’intervient le dopage ! 🧪

Pour augmenter la conductivité du silicium, on le dope.

Le dopage consiste à introduire de petites quantités d’autres éléments (des impuretés) dans le silicium pur.

Le dopage P et le dopage N

Pour créer un transistor, on a besoin de deux types de dopage :

1. Le dopage de type N (négatif ➖) :
   • On injecte du phosphore ou de l’arsenic dans notre silicium.
   • Cela augmente sa conductivité en ajoutant des électrons libres.
   • On qualifie ce dopage de « négatif » car les électrons, qui sont des particules chargées négativement, sont ajoutés en excès.
2. Le dopage de type P (positif ➕) :
   • On injecte du bore ou de l’aluminium dans notre silicium.
   • Cela crée des « trous » (ou déficits) d’électrons qui facilitent la conductivité.
   • On qualifie ce dopage de « positif » car ces trous, qui peuvent être vus comme des charges positives, se déplacent à travers le silicium dopé.

Lors de la création d’un transistor, on combine ces deux types de dopage pour contrôler précisément le flux d’électricité. Ainsi, lorsqu’une tension électrique est appliquée à la base du transistor, sa conductivité change, comme s’il s’agissait d’un interrupteur.

Voilà, ça c’était la version résumée. Si tu es intéressé-e à alors encore plus dans les détails, je te conseille l’excellente vidéo suivante de la chaîne YouTube Mentalité Ingénieur 👀 :

Le dopage y est expliqué en détail à partir de 11 minutes 40 secondes.

Isolant naturel 🛡️

Le silicium a une capacité spéciale : lorsqu’il est exposé à l’air, il se combine à l’oxygène et forme une fine couche de protection naturelle, appelée dioxyde de silicium (SiO₂). Eh oui ! C’est la même formule que celle du sable et du quartz. Le silicium de cette couche revient donc à l’état dans lequel on le trouve dans la nature.

Cette couche de protection joue plusieurs rôles importants dans les appareils électroniques :

• Isolant efficace : Le dioxyde de silicium est un excellent isolant électrique. Cela permet d’isoler différentes parties d’un circuit intégré, réduisant les courts-circuits et améliorant la fiabilité des composants électroniques.
• Fabrication de MOSFETs : La couche d’oxyde de silicium est essentielle dans la fabrication des MOSFETs (transistors à effet de champ). Elle sert de couche isolante entre la grille du transistor et le canal de conduction, permettant de contrôler le flux d’électrons de manière précise.
• Protection : Cette couche d’oxyde protège aussi le silicium des dommages environnementaux comme l’humidité ou la contamination, ce qui améliore la durabilité des composants électroniques.

D’autres matériaux semi-conducteurs, comme le germanium, ne forment pas de dioxyde aussi stable que le silicium, ce qui limite leur utilité dans certaines applications.

Infrastructure et maturité technologique 🏗️

Le silicium a bénéficié de décennies d’optimisation et de développement technologique. Voici ce que cela signifie :

• Infrastructure établie : Depuis l’invention des transistors et des circuits intégrés, l’industrie des semi-conducteurs a massivement investi dans les outils et les procédés pour produire des puces en silicium. Cela inclut des usines spécialisées, des machines de lithographie, et des procédés de dopage et de gravure spécifiques au silicium.
• Maturité technologique : Après des décennies d’améliorations continues, la technologie liée au silicium est extrêmement bien maîtrisée. Les techniques de fabrication (comme la photolithographie et le dopage) sont bien rodées, et l’industrie peut produire des milliards de transistors à une échelle nanométrique avec une grande fiabilité. Le coût de production a aussi diminué grâce aux économies d’échelle.
• Écosystème : Le silicium a un écosystème complet qui inclut la Silicon Valley, des centres de recherche et développement, ainsi que des normes industrielles bien établies. Tout cela facilite l’innovation continue dans les semi-conducteurs à base de silicium.

En résumé, l’infrastructure et la maturité technologique du silicium rendent son utilisation économique, fiable et massivement disponible, ce qui en fait le matériau de choix pour la production en série de semi-conducteurs.

Du sable aux puces électroniques

« Hey, j’ai un super projet ! J’aimerais construire moi-même mon propre ordinateur ! Pour ça, j’ai un sac de sable qui traîne au fond de ma cave. Pis pour le reste, j’irai voir sur Internet ce que je trouve ! 😁 »

Pour transformer les cristaux de quartz du sable en puces électroniques prêtes à être intégrées dans d’un ordinateur, un processus ultra-sophistiqué doit être suivi méthodiquement et qui est le résultat de décennies d’innovation technologique et de perfectionnement industriel. Ce processus peut durer entre 8 et 12 semaines, voire plus dans certains cas, et fait appel à des procédés industriels sophistiqués comme la photolithographie qui ne sont pas à la portée de n’importe qui.

Donc, hum hum… Un peu de sérieux !

Voici un aperçu détaillé du processus d’extraction du silicium de la nature jusqu’à sa transformation en puce électronique. Tu apprécieras la complexité et la sophistication requise pour fabriquer les fameuses puces électroniques.

Processus de fabrication des puces électroniques

1. Extraction du quartz

Le processus commence par l’extraction du quartz. Le quartz est extrait de carrières ou de mines, souvent sous forme de sable ou de roches contenant du quartz.

2. Purification du silicium

Le quartz extrait est ensuite chauffé dans un four à arc électrique avec du carbone, généralement sous forme de charbon, pour éliminer l’oxygène et produire du silicium de qualité métallurgique (avec une pureté d’environ 98-99%). Cette réaction chimique se déroule à des températures très élevées, autour de 2000°C.

3. Raffinage en silicium de grade électronique

Pour atteindre la pureté requise pour les semi-conducteurs (99.9999%), le silicium métallurgique subit un processus de purification supplémentaire, appelé le procédé Siemens. Ce procédé implique la conversion du silicium en trichlorosilane (SiHCl₃), qui est ensuite distillé pour éliminer les impuretés. Le trichlorosilane purifié est ensuite décomposé à haute température pour redéposer le silicium sous forme de barres ultra-pures.

4. Fabrication des lingots de silicium

Les barres de silicium pur sont fondues dans un four spécial et un cristal de silicium monocristallin est cultivé à l’aide du procédé Czochralski. Ce processus consiste à tremper un germe de cristal dans le silicium fondu et à le tirer lentement vers le haut tout en le tournant, formant ainsi un lingot de silicium monocristallin.

5. Découpe des wafers

Le lingot de silicium monocristallin est ensuite découpé en fines tranches appelées wafers (terme anglais) ou, en français, plaquettes de silicium. Ces tranches sont polies pour obtenir une surface parfaitement lisse et plane, prête pour la fabrication des circuits intégrés.

Ces wafers ont un diamètre allant de 2.5 à 30.5 cm, d’autres pouvant aller jusqu’à 45.7 cm. Plus le diamètre est grand, plus on pourra graver de circuits dessus.

Le prix d’un wafer de silicium vierge peut coûter entre 100 et 500 dollars, en fonction de sa taille, de la pureté et de la technologie utilisée. Mais après gravure des circuits, sa valeur est multipliée de manière significative, parfois allant jusqu’à une multiplication par 100⁴ !

6. Photolithographie et gravure des circuits

Les wafers de silicium passent ensuite par un processus de photolithographie, où un motif de circuit est projeté sur la surface du wafer. Ce motif est ensuite gravé chimiquement pour créer les structures des transistors et autres composants électroniques directement sur le wafer.

Le processus de photolithographie consiste à utiliser de la lumière ultraviolette (UV) pour graver des motifs sur une couche de matériau photosensible appelée photoresist.

La photolithographie a révolutionné la production des circuits intégrés en permettant de graver des motifs microscopiques avec une précision extrême, rendant possible la miniaturisation massive des composants et l’intégration de milliards de transistors sur une seule puce.

Comme c’est un procédé extrêmement précis, même le plus petit défaut peut entraîner des problèmes majeurs dans la fabrication des circuits. ⚠️

Par exemple, si un grain de poussière ou une autre particule étrangère (comme une fibre de textile, des traces de doigt, etc.) atterrit sur le wafer pendant la photolithographie, cela peut affecter non seulement une puce, mais aussi un grand nombre de puces sur le même wafer, entraînant des pertes de production importantes.

C’est pourquoi la fabrication des semi-conducteurs se fait dans des environnements hautement contrôlés, tels que les salles blanches.

7. Dopage

Le dopage peut en fait être effectué avant ou après la photolithographie. Il est utilisé pour modifier la conductivité électrique du silicium en ajoutant des impuretés comme le phosphore (pour le dopage N) ou le bore (pour le dopage P) à des régions spécifiques du wafer.

8. Assemblage des puces

Les wafers, maintenant couverts de circuits intégrés, sont découpés en petites puces individuelles. Ces puces sont ensuite encapsulées dans des boîtiers protecteurs et connectées à des broches pour permettre leur insertion dans des circuits électroniques plus larges.

9. Test et distribution

Les puces finies sont testées pour s’assurer qu’elles fonctionnent correctement. Celles qui passent les tests sont ensuite envoyées aux fabricants de produits électroniques pour être intégrées dans des ordinateurs, des téléphones, et d’autres appareils.

Alors, tu veux toujours fabriquer toi-même ton propre ordi ??? 😜

Anecdote : un wafer de silicium sur la Lune 🌛

Sais-tu qu’il y a un wafer de silicium sur la Lune ? C’est une petite anecdote sympa liée à la mission Apollo 11. En 1969, quand les astronautes Neil Armstrong et Buzz Aldrin ont posé le pied sur la Lune, ils n’ont pas seulement planté un drapeau américain, ils ont aussi laissé un disque en silicium d’environ la taille d’une pièce de monnaie.

Sur ce wafer, il y avait des messages gravés venant de dirigeants de 73 pays différents, tous exprimant leurs vœux de paix (jusqu’à maintenant, ça fonctionne… sur la Lune). C’était un peu un « souvenir diplomatique » laissé sur la Lune. L’idée était de symboliser l’unité et l’espoir, au-delà des frontières terrestres. Ce disque est encore là, sur la Lune (tu peux aller vérifier 😉), et il est censé résister au temps, un peu comme une capsule temporelle.

Donc, quelque part, un morceau de l’histoire des semi-conducteurs est littéralement sur la Lune !

Le futur du silicium : vers une nouvelle ère ?

Le silicium est aujourd’hui au cœur de presque toutes les technologies modernes. Des smartphones aux ordinateurs, en passant par les panneaux solaires et les véhicules électriques, il est indispensable. Cependant, bien que le silicium ait encore un rôle central à jouer dans l’avenir, le processus pour fabriquer des puces électroniques est extrêmement énergivore et peut avoir des conséquences environnementales importantes. Face à ces défis, les chercheurs explorent des alternatives qui pourraient prendre le relais ou compléter le silicium. Ces alternatives visent à résoudre des limitations liées à la miniaturisation des transistors, aux coûts de production, et à l’impact sur l’environnement.

Impact environnemental 🌍💥

La production du silicium, bien qu’indispensable, n’est pas sans conséquences environnementales. Voici quelques-uns des impacts principaux :

• Utilisation de matériaux rares : Certains matériaux utilisés dans le dopage du silicium, comme le phosphore ou le bore, peuvent être difficiles à extraire et présentent des risques pour l’environnement.
• Extraction du quartz : L’extraction du quartz, la principale source de silicium, peut entraîner la déforestation, l’érosion des sols, et perturber les écosystèmes locaux.
• Purification énergivore : Le processus de purification du silicium nécessite des températures très élevées (environ 2 000 °C), ce qui consomme d’énormes quantités d’énergie, souvent issue de sources non renouvelables.
• Émissions de CO₂ : La production de silicium pur libère d’importantes quantités de dioxyde de carbone (CO₂), contribuant ainsi aux émissions de gaz à effet de serre.
• Déchets toxiques : Le processus de fabrication des semi-conducteurs peut produire des déchets chimiques nocifs qui, s’ils ne sont pas correctement traités, peuvent polluer l’eau et les sols.

Les alternatives au silicium 🔬

Bien que le silicium domine actuellement l’industrie, des alternatives sont explorées pour surmonter ses limitations. Voici quelques alternatives qui ont déjà été explorées et testées mais peu satisfaisantes :

• Germanium : Utilisé dans les premiers transistors, le germanium présente de bonnes propriétés semi-conductrices. Cependant, il est moins stable à haute température que le silicium et est également moins abondant, ce qui limite son adoption à grande échelle.
• Arséniure de gallium (GaAs) : C’est un excellent matériau semi-conducteur, notamment pour les applications à haute fréquence, mais il est beaucoup plus cher que le silicium et ne se prête pas à une production massive de circuits intégrés à faible coût.
• Graphène : Le graphène est un conducteur exceptionnellement bon, mais il ne présente pas de propriétés semi-conductrices, ce qui signifie qu’il ne peut pas « arrêter » le flux d’électricité comme le fait le silicium dans les transistors.

Et voici quelques-unes des plus prometteuses :

• Informatique optique 💻💡 : L’informatique optique, qui utilise des photons au lieu d’électrons pour transmettre des informations, est une voie prometteuse pour dépasser les limites actuelles des semi-conducteurs en silicium. Les photons voyagent plus rapidement et génèrent moins de chaleur, ce qui permettrait de concevoir des systèmes plus rapides et plus économes en énergie.
• Stockage d’information sur de l’ADN 🧬 : Une autre piste innovante est l’utilisation de l’ADN pour stocker des données. L’ADN est capable de stocker des informations à une densité incroyablement élevée, bien au-delà des capacités des systèmes actuels à base de silicium. Bien que cette technologie en soit encore à ses débuts, elle pourrait révolutionner la manière dont les données sont stockées à long terme.

Ces alternatives, bien qu’encore en développement, ouvrent la voie à un futur où le silicium pourrait être complété, voire remplacé, dans certaines applications pour répondre aux défis technologiques et environnementaux de demain.

Conclusion

Le silicium a été et demeure un élément central dans l’évolution de la technologie moderne. Depuis son rôle dans la révolution des semi-conducteurs, jusqu’à son omniprésence dans la quasi-totalité de nos appareils électroniques, cet élément a façonné l’informatique telle que nous la connaissons. Malgré ses avantages indéniables, notamment sa disponibilité, son faible coût et ses propriétés semi-conductrices, il existe des défis à surmonter, en particulier sur le plan environnemental et dans la miniaturisation des transistors.

Alors que les limites physiques et les impacts écologiques de la production de silicium deviennent de plus en plus évidents, la quête d’alternatives plus durables et efficaces continue. Des pistes comme l’informatique optique ou encore le stockage d’information sur de l’ADN ouvrent des horizons prometteurs, mais ces technologies en sont encore à leurs débuts.

En attendant, le silicium a encore de beaux jours devant lui. Il est peu probable qu’il soit rapidement remplacé dans les décennies à venir, mais la recherche et l’innovation continueront à explorer d’autres options. Ce qui est certain, c’est que l’évolution des technologies liées au silicium, que ce soit pour les transistors ou les circuits intégrés, façonnera encore profondément notre avenir numérique.

Bref, le silicium n’a pas fini de faire parler de lui ! 💪

J’espère que tu as pris plaisir à lire cet article comme que j’en ai eu à l’écrire. En tout cas, pour soutenir mon travail, n’hésite pas à le partage à un max de monde. 🙂

Notes et références

1. Source : Visualizing the abundance of elements in the Earth’s crust, sur le site du World Economic Forum, publié le 14 décembre 2021 ↩︎
2. How Small Can Transistors Get?, sur le site waferworld.com, publié le 24 novembre 2021 ↩︎
3. Source : ENIAC: The World’s First Computer, sur le site life.ieee.org, publié le 4 avril 2023 ↩︎
4. Source : Analyzing the Cost of Wafers, sur le site waferworld.com, publié le 26 août 2020 ↩︎