Nous arrivons ici au cœur du problème. Nous vous avons parlé des procédés de fabrication des wafers, des différentes problématiques posées par les matériaux isolants, sans véritablement évoquer les transistors alors que ceux sont eux qui font tout le travail.

Donc, le transistor ?

Parlons déjà de l’interrupteur que vous avez sur votre mur. Deux fils y sont reliés et lorsque le bouton est enclenché, il fait « contact » entre les deux fils et le courant passe (et la lumière fût). Si vous appuyez sur l’autre côté du bouton, le contact se rompt et l’électricité ne passe plus. Le transistor fonctionne de la même manière, deux « fils » par lequel le courant va entrer (la source) et ressortir (le drain). La différence avec l’interrupteur est qu’au lieu d’un bouton, nous avons un autre fil (la porte, gate en anglais). En fonction de la tension appliquée sur la porte, il va agir comme votre bouton, c'est-à-dire laisser passer ou non le courant entre la source et le drain. C’est pour cela que l’on classifie le transistor comme un composant électronique actif : en les reliant les uns aux autres, on peut créer des circuits logiques.

Bien entendu quand on parle de transistor, on visualise surtout le composant électronique mais dans l’absolu, les transistors présents à l’intérieur d’un processeur (on parle alors de circuit intégré) sont similaires d'un point de vue fonctionnel. C’est surtout leur fonctionnement interne qui nous intéresse. Regardez le schéma suivant :


On distingue les trois éléments principaux que nous vous avons détaillés précédemment. L’entrée et la sortie de courant que l’on appelle source et drain (les deux fils de notre interrupteur) tout d’abord en violet. Puis la porte (gate) qui apparait en vert (c’est l’équivalent du bouton de notre interrupteur). Vous voyez deux nouvelles choses, le « gate dielectric » et le « channel ».

Field Effect Transistor

Ce type de transistor utilise ce que l’on appelle un effet de champ. Explication : lorsqu'une tension arrive sur la porte (gate), cette dernière émet un champ électrique qui va traverser la couche isolante placée juste en dessous (le « gate dielectric », l’isolant de la porte si vous préférez) et va aller jusqu’au « channel », la partie placée entre la source et le drain. Le champ va « relier » la source et le drain et le courant peut alors passer. Nous avons donc un transistor qui fonctionne, laissant passer (on) ou non (off) le courant entre la source et le drain en fonction de la tension appliquée à la porte. Enfin ça, c’est pour la théorie.


Bien évidemment, il faut que tout soit calibré avec une précision infime : on veut que la couche isolante entre la « channel » et la porte soit suffisamment fine pour laisser passer un champ « on » suffisant. Si elle est trop épaisse, le couplage entre la source et le drain sera trop faible : le courant pour l’état « on » (lorsqu’il passe) sera réduit. En clair, on aura du mal à distinguer les deux états.


Je vous vois venir : pourquoi les constructeurs n’utilisent pas de couches isolantes plus fines ? C’est tout un problème car ces couches sont déjà très fines. Pour vous donner un ordre d’idée, elles ne représentent dans les processeurs actuels qu’une hauteur de cinq atomes. Leur marge de manœuvre est donc très limitée sur ce point. Là ou cela se complique, c’est qu’avec une couche trop fine, on va aussi influer sur l’état « off » du transistor. Le channel laissera passer un peu de courant entre les deux bornes. Là encore rien de grave, ce n’est pas au point de rendre le transistor inutilisable. Par contre, il s’agit d’une source de fuite de courant supplémentaire. Comme si elles n’étaient pas déjà assez nombreuses…

Pire encore, il se trouve qu’actuellement, les portes (gate, la partie supérieure) sont faites en silicium polycristallin (on parle de polysilicium ou polysilicon en anglais). Celui-ci a tendance à former au contact de la couche isolante (le « gate dielectric ») une autre couche inerte. En clair ? C’est comme si l’on augmentait encore l’épaisseur de la couche isolante (et uniquement lorsqu’il ne le faut pas, l’état « on ») alors que justement, c’est l’effet inverse que l’on recherche. Mais que peut-on donc faire…

High-k dielectric : la solution ?

Je ne vous ai pas parlé de la matière utilisée pour l’isolant. Pour des raisons pratiques, on utilise ce bon vieux dioxyde de silicium (SiO2) déjà évoqué maintes fois sur la page précédente. C’est un isolant qui dispose d’une constante diélectrique que vous connaissez par cœur : 3.9. Alors, ne pourrait-on pas utiliser un autre matériau dont la constante diélectrique serait plus forte ? C'est-à-dire une matière capable de laisser passer plus de courant, après tout, c’est l’effet recherché !


Et bien c’est justement ce que vient d’annoncer Intel en cette fin du mois de janvier, remplacer le dioxyde de silicium par un autre composant, le Hafnium. C’est un métal grisâtre qu’Intel utilise sous une forme qu’ils ne détaillent pas. Probablement un silicate d’Hafnium dont la constante diélectrique est aux alentours de 18 (cela pourrait également être un dioxyde d’Hafnium, HfO₂ dont la constante tourne autour de 25) ! La marge est relativement élevée et pour obtenir l’effet désiré, on est obligé non pas d’affiner toujours plus la couche isolante (le « gate dielectric ») mais de la rendre plus épaisse. Et c’est une bonne chose puisque cela veut dire que l’on dispose d’une marge de manœuvre plus grande lorsqu’il faudra réduire de nouveau la taille des transistors avec des technologies comme le 32 nanomètre.


Cette solution parait presque évidente, l’industrie des semiconducteurs en parle d’ailleurs depuis un certain nombre d’années mais jusqu’ici personne n’avait réussi à la mettre en œuvre dans un procédé de fabrication à grande échelle. C’est ce que va faire Intel puisque cette technologie fait partie intégrante de leur process en 45 nanomètres. Leur enthousiasme n’était donc pas totalement sans fondement.