Diaporama n°25¶

Logique - Circuits électroniques (culturel)¶

I. Du transistor aux portes logiques (principe)¶

II. Des portes logiques aux circuits électroniques¶

III. Du transistor aux portes logiques (réaliste)¶

IV. La Physique d'un transistor (en bref)¶

V. De l'atome à l'application informatique¶

I. Du transistor aux portes logiques (principe)¶

Le Transistor¶

Dispositif électronique permettant de laisser passer un courant, ou pas, à partir d'un autre courant.

Une tension appliquée la base (ou "grille"), permet de laisser passer le courant entre le collecteur (ou "source") et l'émetteur (ou "drain")

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NB :

  • il existe de gros transistors (taille d'une pièce de monnaie)
  • les plus petits sont dans les processeurs (plusieurs milliards par cm²)

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Etat bloqué, état passant¶

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Principe de réalisation des "portes logiques"¶

On considère une tension haute (5V), une tension basse (0V)

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5V en Sortie ssi 1 en Entrée 1 et 1 en Entrée 2 : ET logique

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5V en Sortie ssi 0 en Entrée : NON logique

II. Des portes logiques aux circuits électroniques¶

Avec le principe précédent, on réalise les portes logiques ("logical gates") de base :

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On peut ensuite réaliser de circuits de plus en plus complexes : cf cours

Exemple de circuit :¶

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Circuit "Selecteur" :

  • sel = 0 : la sortie vaut x0
  • sel = 1 : la sortie vaut x1

Exemple de circuit : un des premiers microprocesseur¶

Intel 4004 : 1970 environ 2000 transistors

NB : 16 connections (pour les entrées / sorties)

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Exemple de circuit : un microprocesseur récent¶

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III. Du transistor aux portes logiques (réaliste)¶

Sur les schémas précédents :

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Problème pratique : Tension haute et tension basse sont parfois reliées

Courant -> Chaleur (effet Joule) -> Surchauffe ...

Concevoir des portes logiques qui ne consomment pas (peu) de courant ?

Transistor N, Transistor P¶

  • Transistor N : bloqué au repos, passant sinon

  • Transistor P : passant au repos, bloqué sinon

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Conception CMOS¶

Complementary (technique d'assemblage)

Metal Oxide Semiconductor (les trois matériaux utilisés : conducteur, isolant, semi-conducteur)

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Etat de la Sortie en fonction de l'état d'Entrée ?

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  • Si Entrée = 0 : P passant, N bloqué : Sortie à 1
  • Si Entrée = 1 : P bloqué, N passant : Sortie à 0

C'est une porte NON (Inverseur CMOS)

La tension haute et la tension basse ne sont jamais reliées

pas de circulation de courant, pas d'échauffement !!

NB : les portes CMOS NON, NAND et NOR sont les plus simples à réaliser

Porte NAND CMOS¶

NB "complémentarité" : 2 transistors P, 2 transistor N

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IV. La Physique du transistor (en bref)¶

Semi-conducteur¶

Un matériau qui n'est pas très conducteur ... mais pas totalement isolant

Par exemple, le silicium

NB : ne pas confondre avec supraconducteur (conducteur parfait, résistance nulle)

Silicium pur, "Dopage" P, "Dopage" N¶

Si : Silicium (4 électrons de valence)

En structure cristalline

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Dopage N¶

On remplace quelques atomes Si par des atomes P (phosphore, valence 5)

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NB : il y a un électron non lié par une liaison covalente, susceptible de se déplacer facilement

Dopage P¶

On remplace quelques atomes Si par des atomes B (bore, valence 3)

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NB : il y a un trou dans une liaison covalente, susceptible d'accepter facilement un électron

Jonction P-N¶

On dope P et on dope N à deux endroits voisins : on obtient le comportement d'une diode (passant dans un sens, bloqué dans l'autre sens)

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Circulation possible des électrons de Droite à Gauche (donc courant de Gauche à Droite)

NB : attention, code couleur inversé par rapport à ce qui précède

Réalisation des transistors P et transistors N¶

Sur ce principe, en dopant un substrat de silicium P par endroit, N à d'autre, on rend certaines zones conductrices ou isolantes en fonction d'un champ électrique

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Plus de détails sur https://www.irif.fr/~carton/Enseignement/Architecture/Cours/Gates/

Réalisation pratique :¶

  • par "gravure" et dépôt de couches successives

  • ci-dessous : transistor P à gauche, transistor N à droite

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Réalisation pratique :¶

  • finesse de gravure actuelle : < 10 nm

  • taille d'un atome : 0.1 nm

  • au microscope électronique

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V. De l'atome à l'application informatique¶

  • Atomes
  • Transistors
  • Portes logiques
  • Circuits logiques
  • Processeurs (et mémoire)
  • Exécution de code machine (OS et processus)
  • Programme informatique compilé (compilation et assembleur)
  • Programme informatique
  • Algorithmes et applications

En résumé :¶

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