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Le dopage et ses limites

Pour augmenter les capacités des transistors, on essaie d’augmenter la vitesse de commutation de l’état passant à l’état bloqué.
On tente aussi de réduire verticalement et horizontalement la taille des dispositifs.
Pour autant, il ne faut pas réduire la quantité de charges ni dans la source, ni dans le drain ni dans le canal sous peine de voir la résistance du système croître.
On crée donc des charges dans la source dans le drain et le canal en ajoutant des atomes « dopants » à la matrice de silicium.

Le principe du dopage est relativement simple :
Dans le silicium, chaque atome est lié à 4 de ses voisins par des relations de covalence.
Lorsqu’on ajoute un atome dopant comme le phosphore ou l’arsenic qui ont 5 électrons de valence, c’est à dire 5 électrons susceptibles d’être mis en commun, il reste un électron libre ce qui augmente la concentration de porteurs de charges (on parle de semi-conducteurs de type N, pour négatif)
Si en revanche l’atome dopant n’a que 3 électrons de valence comme le bore ou le gallium, il doit accepter un électron supplémentaire pour remplacer un atome de silicium. La capture locale de cet électron supplémentaire crée une charge libre positive appelée « trou ».

Les concentrations d’atomes dopants ont été plus que centuplées au cours de ces 20 dernières années.
Le problème se situe dans l’augmentation de la concentration en atomes dopants.
Au dessus d’une certaine concentration appelée « solubilité solide » des  phénomènes électrochimiques surviennent. Les atomes dopants se mettent a réagir les uns avec les autres.Lors de cette réaction les atomes dopants ne fournissent plus de charges.

Les technologies actuelles sont malheureusement a la limite de la solubilité solide des dopants que l’on utilise. Malgré les nombreux tests pour trouver d’autres types d’atomes dopants, aucun élément ne permet pour le moment d’augmenter les concentrations de charge.

L’augmentation des concentrations en atomes dopants entraîne, avec les technologies actuelles, une perte de la charge totale, une augmentation de la résistance et une diminution des performances potentielles des transistors.