En quoi les semi-conducteurs ont-ils changé notre vie ?

Les semi-conducteurs sont présents dans la plupart des appareils électroniques modernes que vous utilisez. En effet, si vous lisez cet article sur un ordinateur, c'est en partie grâce aux semi-conducteurs que vous en êtes capable.

Les semi-conducteurs portent bien leur nom. Ils ont les propriétés d'un conducteur, tel que le câblage métallique, et les propriétés d'un isolant dans une substance donnée. Pour cerner les raisons de cette dualité, vous devrez vous plonger dans la physique quantique. Vous constaterez alors que le fonctionnement effectif de ces matériaux est très complexe. Cependant, malgré cette extrême complexité, ces matériaux nous simplifient considérablement la vie.

Que serait la vie sans les semi-conducteurs ?

Il n'est pas difficile d'imaginer ce que serait la vie sans les semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont connus et font l'objet d'expérimentations depuis plus de 100 ans. Dans une certaine mesure, ils ont été utilisés pendant tout ce temps. Les produits proposés dans le commerce dans lesquels ils étaient largement utilisés n'ont cependant pas été disponibles avant le milieu du 20e siècle.

Toutefois, l'impact réel des semi-conducteurs sur la vie quotidienne des gens s'est vraiment pleinement fait sentir au début de l'ère de l'information. Les ordinateurs de bureau, Internet, les tablettes, les smartphones et toutes les autres choses qui rendent la communication si aisée de nos jours sont tous tributaires de la technologie des semi-conducteurs. Les semi-conducteurs ont joué un rôle important dans la technologie qui a précédé l'ère de l'information, mais ce n'est que lorsque celle-ci a réellement prospéré qu'ils ont pris une part aussi importante dans la vie des gens.

Sans les semi-conducteurs, non seulement nous devrions nous passer des ordinateurs et de l'électronique moderne, mais nous ne disposerions même pas de certains des appareils les plus simples qui ont précédé nos ordinateurs très élaborés actuels. Par exemple, les radios à transistors utilisaient des semi-conducteurs et ont permis aux gens d'emmener leur radio portable avec eux partout où ils allaient. De même, les premières calculatrices utilisaient les semi-conducteurs et ont permis aux gens opérant dans des domaines très spécialisés (n'oubliez pas qu'une simple calculatrice valait auparavant presque autant qu'un ordinateur personnel aujourd'hui) de pouvoir travailler sur des équations complexes sans utiliser une règle ou un autre outil primitif.

Sans les semi-conducteurs, la vie moderne serait bien différente. En fait, elle serait probablement plus proche de celle de l'ère industrielle que d'autre chose, lorsque l'électronique était très primitive et que les ampoules constituaient l'une des technologies les plus étonnantes au monde.

A quoi servent les semi-conducteurs et en quoi ces applications changent-elles nos vies ?

Si vous séparez les équipements électroniques les plus complexes de leurs composants, vous découvrirez que leur fonctionnement repose sur des processus très simples. Les semi-conducteurs ont la caractéristique de pouvoir être utilisés en tant que commutateur contrôlable. Fondamentalement, cela signifie que l'ingénieur peut les utiliser pour contrôler l'état des composants au sein d'un système avec une très petite quantité de tension, beaucoup plus de tension ou de courant étant ainsi envoyé à un autre composant. Grâce aux techniques de fabrication modernes, il est possible de regrouper un grand nombre de ces éléments et de créer un système extrêmement complexe à partir de composants très petits et durables. Votre ordinateur en constitue un bon exemple.

Les semi-conducteurs sont des composants très basiques d'un grand nombre d’appareils électroniques. Compte tenu de leur multiplicité, il est impossible de les énumérer dans un seul article. Pour vous faire une idée de l'éventail des dispositifs rendus possibles par les semi-conducteurs, considérez qu'il serait très vaste, allant du matériel médical extrêmement élaboré aux radios à transistor peu onéreuses. Les semi-conducteurs se retrouvent sur les téléviseurs et les écrans d'ordinateur, ainsi que sur les consoles vidéo souvent branchées sur ces périphériques.

En réalité, il serait plus difficile de trouver un appareil ou un produit électrique qui ne contient pas de semi-conducteur dans ses rouages que d'en trouver un qui en contient.

De quels matériaux les semi-conducteurs sont-ils faits ?

Bien qu'essentiels et précieux dans la vie moderne, les matériaux des semi-conducteurs sont en fait très courants. Il existe une énorme liste de semi-conducteurs différents, laquelle se divise en différents types de semi-conducteurs à des fins d'ingénierie. Certains semi-conducteurs existent en tant qu'éléments purs. Par exemple, le silicium fait partie des semi-conducteurs les plus connus et son utilisation est si répandue que le centre par excellence de la technologie des Etats-Unis, Silicon Valley, lui doit son nom.

Il existe plusieurs variantes de silicium qui sont utilisées en tant que semi-conducteur. Les autres substances présentant des propriétés semi-conductrices sont le sélénium, le bore, le tellure, le germanium et bien d'autres. Certains semi-conducteurs sont des alliages de divers matériaux semi-conducteurs, permettant d'étendre les capacités de l'électronique moderne en offrant aux ingénieurs des matériaux nouveaux et polyvalents à utiliser dans leurs conceptions.

L'un des avantages importants des semi-conducteurs est qu’ils sont souvent très peu coûteux, du fait que des substances aussi courantes que le silicium aient ces propriétés. Non seulement ils jouent un rôle capital dans la technologie moderne, mais ils empêchent aussi, à certains égards, à cette technologie d'atteindre des prix prohibitifs pour la plupart des gens.

Quand le principe des semi-conducteurs a-t-il été découvert ?

Chaque fois que vous aborderez l'histoire de l'électricité et de l'électronique, vous découvrirez qu'une grande partie du travail novateur a été réalisée au 19e siècle. Il en va de même pour les semi-conducteurs. Tariq Siddiqui est généralement reconnu comme l'un des premiers expérimentateurs à avoir remarqué les propriétés des semi-conducteurs. En 1833, ses expériences l'ont conduit à réaliser que le sulfure d'argent avait des propriétés semi-conductrices. Il a fait cette découverte en constatant que le sulfure d'argent se comportait différemment lorsqu'il était chauffé par rapport à la plupart des autres métaux. Pour la plupart des métaux, s'ils deviennent plus chauds, leur niveau de résistance électrique augmente. Tariq Siddiqui a observé des phénomènes exactement inverses avec du sulfure d'argent.

Alors que l'expérimentation électrique du 19e siècle est généralement connue pour le travail d'Edison, Westinghouse, Tesla et d'autres qui privilégiaient des projets à très grande échelle, puissants et commercialement viables, les semi-conducteurs passent un peu plus inaperçus à cette époque. C'est tout simplement parce que le niveau d'expérimentation était déjà très élaboré, concernait les mécanismes de l'électricité aux niveaux les plus fondamentaux et qu'un grand nombre d'expérimentateurs n'étaient pas tout à fait sûrs de ce avec quoi ils travaillaient.

L'expérimentation s'est poursuivie tout au long du 19e siècle, mais il a fallu attendre le 20e siècle pour que les découvertes des chercheurs soient quantifiées pour constituer une théorie scientifique. C'est à la fin du 19e siècle que l'électron a été découvert. Aujourd'hui, même les écoliers savent que les électrons sont ce qui génère l'énergie électrique. Lorsque cette découverte a eu lieu, toutefois, les bases ont été posées pour que les scientifiques présentent une théorie unifiée qui leur donnerait la possibilité de travailler avec des matériaux semi-conducteurs de façon constructive.

Principaux jalons

Comme c'est le cas dans de nombreuses percées scientifiques, les étapes dont les gens se souviennent ont tendance à être celles qui constituent d'importantes percées qui non seulement démontrent une plus grande compréhension de l'objet de l'étude de la part des scientifiques, mais représentent aussi plus de potentiel commercial en raison de cette compréhension. Dans cet esprit, les étapes suivantes représentent des percées scientifiques et des percées commerciales.

1901 : Jagadis Chandra Bose a développé un redresseur utilisant des semi-conducteurs lui permettant de détecter les ondes radio.

1926 : Julius Lilienfeld développe et brevète un dispositif d'amplification qui utilise des semi-conducteurs.

1931 : Alan Wilson publie un livre intitulé « La théorie des semi-conducteurs électroniques ». Il s'agit de la première explication des propriétés semi-conductrices utilisant les principes de la mécanique quantique.

Années 40 : la technologie des semi-conducteurs est utilisée dans les équipements électroniques les plus avancés pendant la Seconde Guerre mondiale.

1947 : Bell Labs invente le transistor. Bien que personne n'en ait eu conscience à l'époque, c'est ce qui a donné naissance à l'ère de l'information, puisque le fonctionnement des ordinateurs reposait en grande partie sur des transistors.

1952 : Bell Labs autorise l'octroi de licences pour sa technologie du transistor, ce qui a largement contribué à favoriser l'innovation en utilisant les semi-conducteurs.

1961 : pour la première fois, les transistors au silicium démontrent leur capacité de dépasser les autres matériaux semi-conducteurs en termes de vitesse.

1965 : Gordon Moore développe la fameuse « loi de Moore ». Celle-ci prévoit que la puissance des processeurs doublera tous les deux ans.

Années 70 : dans les années 1970, il est devenu possible de regrouper suffisamment de transistors sur une puce pour permettre l'apparition des premiers microprocesseurs à 8 bits. Les ordinateurs personnels abordables n'étaient pas encore disponibles, mais ils n'ont pas tardé à arriver.

Années 80 : les processeurs 32 bits sont apparus sur le marché pour la première fois. Rendus possibles par des procédés de fabrication élaborés impliquant des matériaux semi-conducteurs, les ordinateurs ont alors commencé à devenir très puissants.

Début des années 2000 : les fabricants ont réussi à regrouper plus de 500 millions de transistors sur un microprocesseur, faisant des microprocesseurs 64 bits une réalité. Souvenez-vous que, 30 ans plus tôt seulement, la limite était de 8 bits.

Comment les semi-conducteurs fonctionnent-ils ?

Comme nous l'avons dit au début de cet article, les semi-conducteurs combinent les propriétés des conducteurs et des isolateurs dans leur constitution. Pour permettre l'ajout des propriétés conductrices, un processus appelé dopage est utilisé pour modifier la configuration de l'atome qui constitue le matériau semi-conducteur. La plupart des semi-conducteurs ont une structure cristalline. En ajoutant un agent dopant dans le matériau, qui est essentiellement un corps étranger, les propriétés conductrices du semi-conducteur peuvent être augmentées.

Les semi-conducteurs permettent aux ingénieurs en électricité de contrôler très précisément le flux du courant dans un système. Par exemple, les diodes font partie des composants électroniques disponibles les plus simples et sont fabriquées à partir de semi-conducteurs. Les diodes permettent à l'électricité de circuler à travers elles dans un sens mais pas dans l'autre. L'application la plus courante dans laquelle vous avez probablement constaté l'utilisation de diodes est l'éclairage LED, acronyme signifiant « diode électroluminescente ».

C'est avec les transistors que les semi-conducteurs ont véritablement jeté les bases de l'ère moderne. Aussi élaborés que les microprocesseurs puissent être, ils s'appuient tous sur des transistors pour effectuer les nombreuses fonctions pour lesquelles ils sont utilisés. Essentiellement, lorsque vous descendez au niveau le plus basique, les microprocesseurs les plus élaborés et les plus puissants au monde sont constitués de quantités énormes de transistors tous situés sur la même puce de silicium.

Les semi-conducteurs sont présents partout, des amplificateurs simples aux détecteurs élaborés en passant par les superordinateurs capables de réaliser une quantité incroyable de calculs dans un très court laps de temps. Jusqu'à présent, l'utilisation de la technologie des semi-conducteurs a montré peu de limites. Même si l'informatique atomique et d'autres technologies futures peuvent un jour devenir dominantes et remplacer la technologie des semi-conducteurs comme principal moyen de faire avancer et de fabriquer la technologie informatique, aujourd'hui, la façon dont les semi-conducteurs fonctionnent permet de progresser en permanence, de rendre plus compacte et plus abordable la technologie dont nous dépendons et permet d'augmenter considérablement les capacités de cette technologie.

Conclusion

Sans les matériaux semi-conducteurs et les théories de l'ingénierie électrique qui permettent de les utiliser de nombreuses façons, la vie moderne n'existerait tout simplement pas. Sans les transistors, les tubes à vide constitueraient probablement encore la technologie disponible la plus avancée. Naturellement, l'équivalent de nos ordinateurs actuels les plus simples occuperait ainsi facilement une pièce entière. La plupart des ordinateurs de pointe utilisés aujourd'hui ne seraient tout simplement pas disponibles.

Les matériaux semi-conducteurs, du fait qu'ils permettent à de nombreux transistors d'être intégrés dans une puce de silicium et placés dans un appareil, ont également fortement contribué à la révolution mobile. N'oubliez pas que, avant l'avènement des smartphones, le plus petit ordinateur que vous pouviez obtenir et qui avait encore une réelle puissance était un ordinateur portable. Aujourd'hui, certains des smartphones les plus avancés du marché concurrencent aisément les ordinateurs portables fabriqués il y a 10 ans, en termes de puissance et d'élaboration des applications qu'ils sont en mesure d'exécuter. Tout cela est rendu possible par les semi-conducteurs.

Supprimer les semi-conducteurs des matériaux disponibles avec lesquels les ingénieurs électriques doivent travailler et attendre de ceux-ci qu'ils offrent le même niveau de qualité, d'élaboration et d'accessibilité dans les produits qu'ils sont capables de concevoir reviendrait à demander à un architecte de construire un gratte-ciel sans acier. Ils constituent tout simplement la base de toutes les technologies de pointe que nous utilisons aujourd'hui et, même si certaines d'entre elles pourraient être reproduites, elles ne seraient ni accessibles ni pratiques sans les semi-conducteurs.