Qu’est-ce qu’un semi-conducteur ?

Les matériaux qui conduisent l’électricité sont appelées « conducteurs », tandis que ceux qui ne la conduisent pas sont appelés « isolants ». Les semi-conducteurs possèdent des propriétés uniques qui s’appliquent aux deux, ce qui signifie que dans certaines conditions, ils peuvent conduire l’électricité et dans d’autres, ils peuvent y résister. Cette classification unique les destine à des technologies telles que les puces informatiques, les puces d’intelligence artificielle (IA) et les appareils de type Internet des objets (IdO), qui dépendent de la conduction d’une grande quantité d’énergie sur une petite surface. 

Dans la plupart des technologies modernes, les semi-conducteurs agissent comme de minuscules interrupteurs électriques, s’allumant et s’éteignant à plusieurs reprises pour permettre le passage du courant. La conductance d’un semi-conducteur, c’est-à-dire sa capacité à conduire le courant électrique, varie en fonction du courant et de la tension.

Les semi-conducteurs sont largement utilisés dans de nombreux secteurs, notamment les ordinateurs personnels, l’électronique grand public, l’automobile ou encore la fabrication industrielle. Selon un rapport récent de la Semiconductor Industry Association, les ventes de semi-conducteurs sont passées de 139 milliards de dollars en 2001 à 526 milliards de dollars en 2023. Cette croissance représente un taux de croissance annuel composé de 6 %¹.

La rapidité de l’innovation dans le secteur des semi-conducteurs peut être largement attribuée à la loi de Moore, selon laquelle la vitesse et la capacité des ordinateurs doublent tous les deux ans. Dans le secteur des semi-conducteurs, cette loi s’applique au nombre de transistors qu’une puce électronique doit contenir pour répondre à la demande croissante des appareils informatiques. Les principaux fabricants recherchent en permanence des moyens de doubler le nombre de transistors tous les deux ans, d’où les progrès constants de la technologie des semi-conducteurs.

La plupart des semi-conducteurs sont constitués de cristaux en raison de leurs propriétés atomiques uniques. Alors que la plupart des éléments conducteurs courants possèdent un seul électron dans leur couche externe, les semi-conducteurs en possèdent quatre. Cette caractéristique, parmi d’autres, confère aux cristaux semi-conducteurs (généralement du silicium) des propriétés idéales pour contrôler les courants électriques dont dépendent les appareils technologiques modernes complexes.

Afin de contrôler le flux d’électricité dans les circuits et les appareils électroniques, les ingénieurs manipulent le flux d’électrons à travers les semi-conducteurs en créant des zones chargées positivement et négativement, un processus appelé « dopage ».

Dans la production de semi-conducteurs, le dopage désigne le processus consistant à introduire intentionnellement des impuretés, également appelées « atomes d’impuretés », dans le réseau cristallin du substrat afin de modifier ses propriétés électriques. Ainsi, les ingénieurs peuvent rendre le matériau plus ou moins conducteur. Il existe deux types de dopage : le dopage de type N et le dopage de type P.

• Dopage de type N : cela consiste à ajouter des éléments possédant plus d’électrons de valence que le matériau hôte. Ce changement augmente le nombre de porteurs de charge libres dans l’atome, ce qui accroît la conductivité du substrat.

• Dopage de type P : cette méthode accroît également la conductivité du matériau, mais en ajoutant cette fois-ci des éléments possédant moins d’électrons de valence que le matériau hôte. Cela crée ce que l’on appelle en informatique un « trou », qui agit alors comme un porteur de charge positif (car il manque des électrons), ce qui accroît la conductivité.

Les semi-conducteurs sont généralement classés en deux grandes catégories : intrinsèques et extrinsèques. Voici les différences entre les deux.

• Semi-conducteurs intrinsèques : ces semi-conducteurs sont constitués d’un seul matériau pur qui n’a subi aucune manipulation. On les qualifie souvent « d’élémentaires », car beaucoup d’entre eux sont des éléments bien connus du tableau périodique, tels que le carbone, le bore, le silicium et le germanium.

• Semi-conducteurs extrinsèques : ces semi-conducteurs ont subi un dopage, c’est-à-dire une contamination intentionnelle visant à modifier la conductivité d’un matériau. Les semi-conducteurs à radiofréquence (RF), par exemple, sont considérés comme extrinsèques car ils combinent des matériaux tels que l’arséniure de gallium (GaAs), le nitrure de gallium (GaN) et le silicium (Si) qui permettent aux semi-conducteurs de fonctionner à des radiofréquences plus élevées.

Les dispositifs à semi-conducteurs sont des composants électroniques qui utilisent des conducteurs et des isolants en vue de contrôler le flux des courants électriques. Le type le plus populaire est le fameux transistor, un composant électronique compact et résistant qui alimente la plupart des appareils électroniques modernes.

Jusqu’à l’invention des transistors en 1947, les tubes à vide étaient largement utilisés dans le même but. Les transistors se sont avérés plus compacts et plus efficaces que les tubes à vide et les ont rapidement remplacés. Aujourd’hui, les transistors sont utilisés dans une large gamme de dispositifs, notamment les puces informatiques, les microprocesseurs, les voitures ou encore les dispositifs robotiques. Les transistors sont très flexibles ; en plus d’agir comme des conducteurs et des isolants, ils peuvent également servir de commutateurs, d’amplificateurs et de redresseurs.

• Commutateurs : composants des dispositifs à semi-conducteurs qui sont activés ou désactivés pour contrôler le flux d’un courant électrique.

• Amplificateurs : circuits qui augmentent l’amplitude d’un signal d’entrée dans un dispositif électronique.

• Redresseurs : aussi appelés « diodes de redressement », ce sont de petits dispositifs à semi-conducteurs qui convertissent les courants électriques alternatifs en courants continus en permettant à l’électricité de circuler dans une seule direction.

Les semi-conducteurs sont fabriqués dans des fonderies, qui sont des entreprises hautement spécialisées qui se concentrent exclusivement sur la fabrication de semi-conducteurs, laissant la conception et la distribution à d’autres. Pour diverses raisons, la plupart des fonderies du monde se trouvent à Taïwan.

Aujourd’hui, 60 % des puces à semi-conducteurs et plus de 90 % des puces avancées dans le monde sont fabriquées sur la petite île de Taïwan². Sa main-d’œuvre hautement qualifiée, l’invention du modèle de fonderie pour la fabrication de semi-conducteurs et d’autres facteurs ont conduit à sa domination quasi totale du marché.

La fonderie la plus connue au monde est sans doute Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), fondée en 1987, qui produit les puces les plus avancées au monde pour des clients tels qu’Apple et NVIDIA. 

Aujourd’hui, la position dominante de TSMC sur le marché des semi-conducteurs en fait un maillon essentiel de la chaîne d’approvisionnement mondiale dans ce domaine. En conséquence, Taïwan est devenu un point géopolitique central dans les stratégies de politique étrangère de grandes nations telles que la Chine et les États-Unis.

Les semi-conducteurs sont fabriqués selon un processus rigoureux appelé « wafer fabrication » (en français, « fabrication de tranches » ; « wafer » est aussi appelé « galette » ou encore « plaquette »), qui commence par la découpe du matériau semi-conducteur en fines tranches. Le silicium est l’élément le plus souvent utilisé, mais certaines tranches peuvent également être fabriquées à partir d’arséniure de gallium, de carbure de silicium, de germanium, etc.

Une fois la tranche créée, elle est polie et meulée à l’aide d’une série de machines différentes hautement spécialisées, puis un circuit intégré est installé à sa surface au cours de quatre étapes très complexes.

• Étape 1. Oxydation : avant qu’un circuit intégré puisse être installé, la tranche doit être pré-nettoyée à l’aide d’eau déionisée de haute pureté. Certains types de tranches, en particulier les tranches de silicium, sont chauffées au cours de cette étape et exposées à de l’oxygène pur, une méthode connue sous le nom d’oxydation thermique.

• Étape 2. Masquage : au cours de la phase de masquage de la fabrication des semi-conducteurs, des masques photographiques (des gabarits de haute précision) sont utilisés pour créer des motifs sur les tranches, une tâche connue sous le nom de « photolithographie ». Chaque masque est essentiel pour définir les circuits du semi-conducteur et son efficacité en tant que circuit intégré.

• Étape 3. Gravure : au cours de cette phase, les matériaux superflus sont retirés de la tranche afin de lui donner un motif ou une forme spécifique. Tout comme le masquage, la gravure est importante pour la fabrication de circuits intégrés et d’autres types de dispositifs ayant une fonction spécifique qui doivent être fixés à la surface de la tranche.

• Étape 4. Dopage : enfin, des matériaux semi-conducteurs extrinsèques sont créés en ajoutant des impuretés à leur structure cristalline afin de modifier leurs propriétés électriques. Les composés utilisés au cours de cette étape comprennent l’arséniure de gallium, l’antimoniure d’indium et de nombreux types d’oxydes.

Au cours des 75 dernières années, les semi-conducteurs sont devenus essentiels à de nombreuses technologies modernes. Depuis les débuts de l’informatique jusqu’à l’essor d’Internet, des réseaux sociaux, des technologies mobiles et de l’intelligence artificielle, ils ont joué un rôle crucial dans le fonctionnement des appareils électroniques. Voici les principaux avantages des semi-conducteurs.

Les semi-conducteurs sont utilisés dans la plupart des appareils électroniques modernes et trouvent donc des applications dans de nombreux secteurs. Voici quelques-unes des plus courantes.

Les semi-conducteurs et les dispositifs à semi-conducteurs tels que les circuits intégrés, les capteurs et les puces à semi-conducteurs sont largement utilisés dans de nombreux appareils électroniques grand public. Des smartphones et ordinateurs portables aux appareils électroménagers intelligents, en passant par les assistants virtuels, les téléviseurs et bien d’autres encore, les semi-conducteurs sont à la base des appareils technologiques dont dépendent la plupart des consommateurs, tant dans leur vie professionnelle que privée.

Les voitures d’aujourd’hui intègrent de nombreuses fonctionnalités que les utilisateurs attendent désormais de leurs smartphones et ordinateurs, telles que la reconnaissance vocale, la connectivité sans fil et la possibilité de diffuser différents types de médias. Les puces à semi-conducteurs sont à la base des technologies utilisées par les voitures pour offrir ces fonctionnalités, permettant aux passagers d’accéder à Internet, d’écouter leurs messages vocaux et leurs SMS, d’obtenir des itinéraires, etc.

Les semi-conducteurs et les puces à semi-conducteurs sont devenus indispensables dans le domaine médical, où ils sont essentiels au fonctionnement d’une large gamme d’applications et de dispositifs médicaux. Ils équipent les dispositifs utilisés pour l’imagerie médicale, le diagnostic, la surveillance des patients, etc., permettant ainsi la transmission en temps quasi réel de données critiques qui contribuent à améliorer les traitements ainsi que l’état de santé des patients.

La fabrication intelligente, également connue sous le nom d’« industrie 4.0 », désigne l’intégration de nouvelles technologies numériques telles que l’IdO, l’IA et le cloud computing dans les processus de fabrication. Les semi-conducteurs et les puces à semi-conducteurs alimentent des capteurs avancés, des logiciels embarqués et des robots qui collectent et analysent des données dans un environnement industriel, contribuant ainsi à rationaliser les processus obsolètes et inefficaces.