L’atome de silicium

L'atome de silicium

Dans l’univers numérique, toutes les informations, que ce soit des programmes, des données, des images ou des sons, sont toutes exprimées sous la forme de ‘ 1 ‘ ou de ‘ 0 ‘, qui sont représentés, au sein des puces, par l’absence ou la présence d’un courant électrique. Le plus simple pour commander ou non le passage d’un courant est de disposer d’un interrupteur, plus exactement d’un relais ( un interrupteur ‘ télécommandé ‘). Un transistor est, justement, un relais mais extrêmement miniaturisé. Pour contrôler le passage du courant dans le transistor, on utilise des matériaux semi-conducteurs d’où vient l’utilisation du Silicium et du Germanium. Les scientifiques ont commencé à s’intéresser au Silicium et au Germanium à la fin des années 1920, pour leurs étonnantes habiletés de semi-conducteur.

Semi-conducteurs

Le métal conduit l’électricité, le plastique non. L’or le conduit, le caoutchouc non. La plupart des matériaux tombent facilement dans une des 2 catégories, conducteur ou non conducteur. Le fonctionnement de la conductivité est assez simple. Un atome conduit quand il perd un électron ou plus. Perdre un électron n’est pas simple, le noyau de l’atome attire farouchement ses électrons vers lui et ses électrons, eux, pour ne pas lui tomber dessus compensent en lui tournant autour, la force centrifuge les gardant en orbite stable. C’est comme dans une salle de cinéma, habituellement, quand nous sommes dans les premières rangées de sièges, nous sommes loyaux au film. Quand nous sommes dans la dernière rangée mais que notre rangée de sièges est pleine, nous pouvons difficilement quitter notre siège. Par contre, si la dernière rangée est quasiment vide nous pouvons facilement changer de siège et même quitter la salle pour aller voir un autre film. Ainsi, les atomes ayant un petit nombres d’électrons sur leurs orbites de valence peuvent facilement en perdre (donc ils conduisent), et ceux qui ont un grand nombre d’électrons de valences ne peuvent pas en perdre (donc ils ne conduisent pas). Bizarrement, il y a des matériaux qui conduisent l’électricité et d’autre fois ils ne le conduisent plus, tout dépend des conditions auxquelles ces matériaux sont soumis. Cette catégorie s’appelle les Semi-conducteurs. Les 2 matériaux semi-conducteurs les plus utilisés sont le Silicium et le Germanium. Ces 2 matériaux sont composés majoritairement d’atomes qui ne conduisent pas l’électricité mais ils ont quand même une poignée d’atomes qui eux conduisent. Dans le Silice et le Germanium, les atomes qui, eux, conduisent sont stimulés en changeant des propriétés telles que la température, leurs niveaux d’énergie (en injectant une quantité d’énergie)… Ainsi ces atomes perdront des électrons et c’est à ce moment que le Silicium/Germanium conduira. C’est ainsi que fonctionnent les transistors, quand nous voulons faire passer des ‘ 1 ‘ et des ‘ 0 ‘, nous changeons la tension sur le fil visé et le fil devient conducteur ou non, laissant passer des électrons(‘ 1 ‘) ou non(‘ 0 ‘).

L’élément chimique silicium

Le silicium, possédant 14 protons, 14 neutrons et 14 électrons, possède 3 orbites, la première comprenant 2 électrons, la 2e comprenant 8 électrons et la dernière comprenant 4 électrons. Les atomes de silicium forment entre eux un réseaux de cristaux formé de liens covalents. Les cristaux de silicium sont, à 0 Kelvin, un isolant parfait, les électrons ne peuvent quitter leurs atomes respectifs. Ainsi, plus la température augmente plus les cristaux de silicium conduisent. À la température ambiante, les cristaux de silicium ne sont ni bon isolants, ni bon conducteurs, mais comme déjà mentionné, ils sont des semi-conducteurs.

Avantages du Silicium sur le Germanium

Un cristal de germanium se comporte également comme un semi-conducteur à la température ambiante. Mais il y a une très grande différence entre le silicium et le germanium. À la température ambiante, un cristal de silicium a bien moins d’électrons de libres qu’un cristal de germanium. C’est à dire que le germanium laisse passer, à la température ambiante, un plus grand courant, donc pour avoir la même efficacité que le Silicium a, il faudrait contrôler la température du Germanium.

Transistors au Silicium

ICI! Vous regardez présentement un objet composé de millions de transistors au Silicium. Chaque puce contient des milliers de transistors au silicium, de nos jours, il est extrêmement rare de trouver des objets qui n’ont pas encore été envahis par ces petites puces. Tous les appareils électroniques en fourmille, tous les appareils que vous branchez dans vos fiches électriques en contiennent, et même ceux que vous ne branchez pas, à quand nous, humains, allons nous en avoir implantés?

Les transistors au Silicium ont rendu de bons et loyaux services, mais, malheureusement, la technologie du Silice a atteint ses limites. Par exemple, pour augmenter la puissance d’un microprocesseur, il faut réduire la distance que l’électricité a à parcourir. Pas de problème, aujourd’hui, nous avons des microprocesseurs d’une puissance de 1 à 2 GHz (Giga – hertz, 1 000 000 hertz) et nous savons déjà comment produire des 1000 GHz ( = 1 Tera – hertz ,1 000 000 000 hertz), le seul problème est une petite formule que nous avons apprise en secondaire 4, P=UI2, celle de la puissance dissipée! Chaque fois qu’un ‘ 1 ‘ est envoyé, il crée un petit peu de chaleur… Dans un 1 THz, dès qu’il entrerait en activité, la température interne du microprocesseur atteindrait celle du cœur d’un réacteur nucléaire! C’est pour cela que IBM fabrique présentement des circuits composés à base de nanotubes de carbone. Ces nanotubes réfrigérés à 4K seront capables de traiter les électrons 1 par 1, réduisant ainsi la puissance dissipée et grandement l’électricité requise pour faire fonctionner l’ordinateur, en plus d’accélérer la vitesse du microprocesseur. Ne reste plus qu’a résoudre le problème de la réfrigération des nanotubes, et un ordinateur extrêmement performant aura la taille d’un lecteur CD et fonctionnera des mois sur une pile 2A…

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