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Histoire de l’électronique

Yves Fournier

01/12/2014

Définition(s) de l’électronique

• Mot forgé après sa naissance (1904) • Généralement associé aux courants faibles • Mise en œuvre de la conduction dans le vide, les gaz et les

semi-conducteurs • Maitrise du flux d’électrons • Porteuse d’information (numérique) • Gère les interfaces homme/système

– Entrées: homme, capteurs – Sorties: son, images, mouvements

• Complément de l’électrotechnique (courants forts)

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Importance historique de l’électronique

• Technologie omniprésente dans notre monde actuel • Largement incomprise du grand public • Facteurs historiques d’émergence très divers • Beaucoup plus vitale que l’on ne pense • A joué un rôle capital dans tous les conflits du XX ème

siècle même en 1914 • Substrat de la révolution numérique • Largement d’origine anglo-saxonne

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Les sources variées au XIXème siècle

• Compréhension progressive de la structure de l’atome • Lois de l’électromagnétisme • Observations isolées de phénomènes « électroniques » non

expliqués • Développement du télégraphe • Tube de Crookes • Courants alternatifs • Découverte de l’électron

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Prééminence de la théorie atomique à la fin du XIXème siècle

• Electrolyse de Faraday: les liaisons internes des éléments sont de nature électrique

• Tableau périodique des éléments (1869) • Basculement de la théorie de la matière

continue vers la théorie atomique vers les années 80

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Théorie électromagnétique

• Loi d’Ampère – électrodynamique (1820)

• Intuition des électrons • Loi de Gauss – électromagnétisme

(1831) • Faraday – Induction

électromagnétique (1831) • Equations de Maxwell (1873) • Synthèse mathématique de toutes les

lois sur l’électricité et le magnétisme • Théorie des ondes

électromagnétiques prouvées 20 ans après 01/12/2014

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Observations de phénomènes inexpliqués

• Phénomène photosensibilité avec le sélénium (1851) • Rayons cathodiques (1869) • Phénomène de redressement avec la galène (1875) • Bouteille de Leyde (1875) • Effet Edison (1882) • Eclateur de Hertz (1888) • Bobine de Tesla (1892) embryon de la radio • Cellule photoélectrique (1895) • TSF – Marconi (1895) • Découverte de l’électron – Thomson (1897)

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Développement du télégraphe électrique

• Samuel Morse (1844) Magnetic Telegraph Company (1845)Western Electric (1851)

• Le répéteur • Développement rapide des réseaux terrestres • Puis réseaux transatlantiques par câbles sous-marins • Développement des grandes compagnies de

télégraphe • Idée de transmettre les impulsions sans fil • Idée de transmettre la voix sans fil

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Développement du téléphone

• Précurseurs Antonio Meucci (1854) Philipp Reis (1861)

• Elisha Gray et Graham Bell (1876) • Edison microphone (1876) • Emile Berliner (1877) • Western Union téléphone commercial (1878) • Développement des grandes compagnies

téléphoniques (ATT) • Répéteurs avec amplificateurs à lampes

(1915)

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Tube de Crookes

• Tube de Geissler (1857) (tube néon) • Tube de Crookes (1869-75) • Tube cathodique de Braun (1897) Nobel 1909 • Maîtrise des traversées des connexions électriques • Maîtrise des vides poussés (Langmuir) Nobel 1932 • Tube à cathode froide

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Courants continus

• Seule source d’électricité dynamique depuis la pile de Volta (1802)

• Accumulateurs • Développement de l’électrotechnique (dynamos) • Seule véritable application jusqu’en 1879: télégraphe • Invention de l’ampoule électrique (Edison 1879) • Maitrise de plus en plus poussée qui permet le

développement des lampes électroniques

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Nikola Tesla (1856-1943)

• Ingénieur électromécanicien formé à Graz, Prague et Budapest. Très inventif

• Doué pour les langues • 1882 Continental Edison Paris • 1884 Edison Works New York. Rupture • 1886 Tesla Electric. Licencié par actionnaires • 1887 Labo recherche financé par Western Union • 1888 Construction et brevet moteur synchrone (AC) • 1889 Support par Westinghouse • Guerre des courants • 1891 Bobine de Tesla • 1891 Démonstration transmission énergie à distance • 1897 Cession licence à W pour 216 000 $

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Nikola Tesla (1856-1943)

• 1894-1896 Travaux sur Rayons X (bremsstrahlung)

• 1898 Radio commande de bateau • 1898 Essais de transmission sans fil • 1899 Colorado Springs • 1900 Wardenclyffe • 1906 Turbine sans ailettes (ou pompe) • Vit à l’hôtel jusqu’à la fin de sa vie tout en

continuant ses recherches multiples

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Courants alternatifs

• Nikola Tesla (1856-1943) • Potentialités du courant alternatif

– Transport sur longues distances – Transmissions énergie sans contact – Moteurs sans balais (synchrone) – Courants polyphasés

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Batailles juridiques

• Les Etats Unis ont été le siège de féroces batailles juridiques sur l’antériorité des brevets

• Téléphone Gray/Bell (Priorité Bell annulée par Cour Suprême en 2002 en faveur de Meucci)

• Microphone Berliner/Edison • Radio Marconi/Tesla/De Forest/Braun (Priorité Marconi

annulée par Cour Suprême en 1943) • Lampes De Forest/ATT/Armstrong

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Découverte de l’électron Joseph John Thomson (1897)

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Rayons cathodiques chargés électriquement

Déviation par champ électrique

Mesure du rapport charge sur masse par champ magnétique

Nobel 1906

Développement de la radio

• Bobine de Hertz (1886) mise en évidence ondes électromagnétiques

• Générateur HF Bobine de Tesla (1889) • Radioconducteur (cohéreur) de Branly (1890) • Antenne Popov (1893) • Première transmission sans fil Marconi (1895)

Nobel 1909 • Fessenden première transmission de la voix (1900) • Diode à pointe Braun (1898) • Récepteur électrolytique Ferrié (1903) • Récepteur à Quartz Pickard et Dunwoody (1906)

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Guglielmo Marconi (1874-1937)

• Fils d’un aristocrate italien et d’une aristocrate irlandaise

• Intérêt précoce pour la physique et les travaux de Hertz

• Premier travaux sur la radio pas d’intérêt des autorités italiennes (1895)

• Emigre et s’installe en Angleterre avec sa mère (1896) • Marconi Company (1897) • Transmissions transatlantiques (1902) • Nobel (1909) avec Braun • Titanic (1912) • Débuts de la BBC (1920) • Responsable radio militaire italienne en 1914 • Fasciste (1923) • Président Académie des Sciences italienne (1930) 01/12/2014 18

Eugène Ducretet (1844-1915)

• Concepteur et fabricant d’instrument de physique

• Tubes à rayons X • Générateurs haute fréquence • Premier essai TSF entre Tour

Eiffel et Panthéon (1898) • Matériel de TSF Ducretet-

Popov

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La diode

• Effet Edison (1882) • Fleming (1904) lampe diode à cathode chaude • Marconi Company • Redresseur de courant • Détection des ondes radio

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La triode et ses perfectionnements

• Lee de Forest (1906) Triode • Introduction d’une grille entre l’anode et la cathode • La variation de la tension dans la lampe en fonction

de la tension de grille présente une partie linéaire à forte pente

• Amplificateur de tension • Oscillateur de première génération (émetteur radio) • Ajout de grilles supplémentaires (pentode ,

heptode) • Chauffage indirect de la cathode (filament)

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Lee De Forest (1873-1961)

• Premières expériences radio en 1899 (Illinois) • Compétition avec Marconi (1901) • Invente la triode et ses avatars (Audion) 1906 • Inventeur du mot radio et de la radiodiffusion • Vend son brevet à ATT (1913) et le rachète en

1917! • Bataille contre Armstrong (1917) réaction et

superhétérodyne • Invente publicité radio, transmission de

concerts et campagne électorale radio • Ancêtre du cinéma parlant (1919)

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L’industrie française des tubes

• Henri Abraham (1868-1943)

• Eugène Bloch (1877-1944)

• Lampes Grammont • Yves Rocard (1903-1992)

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Les tubes redresseurs commandés

• Ignitron (Westinghouse 1930 traction électrique) vapeurs de mercure

• Thyratron (Langmuir 1928) vapeurs d’argon

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Les tubes hyperfréquences

• Magnétron (Randall et Boot 1940)

• Système de chauffage micro ondes Spencer (1946) Raytheon

• Emission radar

• Klystron Russel et Sigurd Varian (1937)

• Emetteurs radio grande puissance 01/12/2014 25

Autres tubes

• Photomultiplicateurs (1934 RCA) • Recherches pour augmenter la sensibilité des premières

caméras de télévision

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Les applications des lampes

• Détection des ondes radio • Amplificateurs • Oscillateurs • Portes logiques • Redresseurs commandés (thyratrons) • Générateurs HF (magnétrons, klystrons)

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Les applications des lampes

• Afficheurs (tube cathodique pour oscilloscope et télévision)

• Tubes pour caméras (Plumbicon)

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Les composants passifs

• Resistances – Fixes – Variables (rhéostats) – Thermistances

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Les composants passifs

• Capacités – Condensateurs film mince – Condensateurs Electrolytiques – Condensateurs au tantale – Condensateurs variables

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Les composants passifs

• Inductances (self) – Transformateurs – A noyau d’air – A noyau métallique – Toriques

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Les composants d’entrée-sortie

• Haut parleurs • Microphones

– A capsule – Electrodynamiques – Electrets

• Afficheurs – A tubes (Nixie) – A diodes électroluminescentes (Leds) – A cristaux liquides – Tube cathodique (oscilloscope,

télévision)

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Les circuits électroniques

• Assemblage sur châssis • Lampes avec connecteurs • Raccordements par fils • Encombrement , blindage et

refroidissement • Fiabilité • Circuits imprimés • Soudage à la vague • Idée d’intégration (1959) Jack Kilby

Nobel 2000 01/12/2014 33

Economie de l’électronique Première moitié du XXème siècle

• Les inventions ne se diffusent que si elles rencontrent un marché

• Les lampes ont trouvé leur débouché avec la TSF, la radio et les amplificateurs

• Le téléphone a également joué un rôle essentiellement pour les répéteurs

• Avant la seconde guerre, les industries restent pour l’essentiel nationales

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La première guerre mondiale

• Tour Eiffel sauvée par Colonel Ferrié (TSF) • Influence des écoutes françaises sur le

déroulement de la bataille de la Marne (sept 1914)

• Radiologie sur champ de bataille

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Foisonnement des recherches dans l’entre deux guerres

• Fuite des savants allemands juifs aux Etats Unis • Importance des laboratoires de la Bell Company (7 Nobel)

– Télévision (Ives 1928) – Radioastronomie (Janski 1931) – Stéréophonie (1932) – Synthèse vocale (Dudley 1937) – Diffraction des électrons (Davisson 1937 NB) – Cellule photovoltaïque (Ohl 1940)

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Deuxième guerre mondiale

• Le radar (à partir de 1935 Watson-Watt – magnétron)

• Le sonar (piézoélectricité Langevin 1917) • La radio goniométrie • Le radioguidage • Embryon des ordinateurs • Le décryptage automatique (Colossus 1943) • Le talkie walkie

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Renaissance des semiconducteurs • Connus depuis la fin du XIXème • Sélénium, Galène (PbS) • Besoin de fiabilité (répéteurs

téléphoniques) • Théorie du fonctionnement des

semiconducteurs (Bloch) • Bande de valence • Bande de conduction • Dopage n et p • Méthode de production des lingots

monocristallins • Purification par zone fondue

(Pfann 1932) 01/12/2014 38

Le transistor

• William Shockley (1910-1989) • Walter Brattain (1902-1987) • John Bardeen (1908-1991) Nobel 1956

et 1972 (supraconductivité) • Transistor bipolaire inventé en 1947 aux

Bell Labs • Nobel 1956 • Transistor à jonction (1949) • Transistor à effet de champ (1952) • Raytheon industrialisation (1950)

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Les circuits intégrés

• Jack Kilby (1958) Texas Instruments • Nobel 2000 • Tous les composants gravés par photo

lithogravure • Fiabilité • Coûts • Isolation circuit Lehovec (1959) • Métallisation Robert Noyce (1959-

1964)

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Les circuits intégrés

• Les « 8 traitres » quittent Schockley et fondent Fairchild (1959)

• Gordon Moore prend le ledership • Jean Hoerni planar (1960) • Commandes militaires et NASA • Circuits logiques TTL (1965) • Guerre des brevets (62-66) • CMOS Federico Faggin (1968) • A l’origine du premier

microprocesseur (4004 Intel)

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Schockley Moore

Hoerni

Faggin

wafer

Les circuits intégrés

• Semiconductor manufacturing processes 10 µm – 1971

• 3 µm – 1975 • 1.5 µm – 1982 • 1 µm – 1985 • 800 nm – 1989 • 600 nm – 1994 • 350 nm – 1995 • 250 nm – 1997 • 180 nm – 1999 • 130 nm – 2002 • 90 nm – 2004 • 65 nm – 2006 • 45 nm – 2008 • 32 nm – 2010 • 22 nm – 2012 • 14 nm – 2014 • 10 nm – 2016 • 7 nm – 2018 • 5 nm – 2020

• Augmentation rapide du nombre de composants

• Loi de Moore (doublement tous les 18 mois)

• Technologie CMOS

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Foisonnement des applications

• Microprocesseurs • Circuits annexes • Mémoires RAM • Mémoires flash • Processeurs graphiques • Circuits analogiques • Circuits spécialisés

(ASIC)

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• Informatique • Téléphonie mobile • Télévision • Réseaux informatiques • Capteurs • GPS • Mesures physiques • Automation industrielle • Contrôleurs disques durs

Les sociétés de microélectronique

• Classement 2013 • Montée rapide de

Micron (DRAM) • Fusions acquisitions • Plafonnement d’Intel

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Les microprocesseurs

• Idée de rassembler sur une même puce tous les composants de l’unité de calcul centrale (CPU) 1968

• Premier microprocesseur 4004 Intel (1971) (4 bits)

• Complexification croissante du fait des possibilités techniques d’intégration

• Compétition Intel, Motorola, Zilog • 8,16,32 et 64 bits • Augmentation des fréquences d’horloge • Multi-cœurs

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Les microprocesseurs

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Les mémoires magnétiques

• Ruban magnétique • Mémoire à tore de ferrite • Mémoires à bulles

magnétiques • Disquettes • Disques durs

– Conventionnels – Winchester – Magnéto Resistance Géante

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Autres applications de l’électronique

• Mémoires électroniques • Thyristors et triacs • Capteurs • Ultrasons et sonars • Masers et Lasers

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Les mémoires électroniques

• ROM (1956) • RAM

– Mémoire à accès aléatoire • SRAM (statique) • DRAM Dennard (1968) • EEPROM Perlegos (1986) • Flash Masuoka (1980)

– Intel 1988

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Les thyristors et triacs

• Inventé par Gordon Hall (GE) 1956 • Contrôle de l’intensité d’un courant

alternatif • Alimentations stabilisées • Commande moteurs à vitesse variable • Utilisé dans les lignes à haute tension

CC (France Angleterre) • Transistor bipolaire à grille isolée

(IGBT) depuis les années 90

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Les capteurs

• Diodes laser – Lecture DVD

• Cellules photo électriques – Détection de niveau lumineux

• CCD (Bell Labs – 1969) – Appareils photo numérique

• Pression, température – Contrôle de processus

• Accéléromètres – Airbags, tablettes

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Piézoélectricité : Les ultra sons et les sonars

• Découverte par Pierre et Jacques Curie (1880) • Fessenden - sonar (1912) • Naufrage du Titanic (1912) • Lutte anti-sous-marine première guerre • Boyle – Wood ASDIC (1916) • Contrôle ultra sons

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Les masers et lasers

• Existence théorique prévue par Einstein (1917) • Maser

– Townes, Basov and Prokhorov Nobel 1964 – Premier maser ammoniaque (1953) – Maser à hydrogène (étalon de fréquence pour les horloges) – « Rayon de la mort »

• Laser – Méthode de pompage optique Kastler (1950) Nobel 1966 – Brevet Gould (1959) – Maiman premier laser (1960) – Hall Diode laser (1962) – Très nombreuses applications

• Découpe et soudure • Chirurgie • Impression • Nettoyage • Métrologie

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Microscopie électronique

• Lentille électronique Hans Busch (1926) • Microscope Ruska et Knoll (1931) • Balayage von Ardenne (1937) • Siemens • Vaste domaine d’applications

– Etudes de surface – Biologie – Zoologie – Nanotechnologies

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Autres applications diverses

• Robotique • Impression laser • Reconnaissance et synthèse de la parole • Supraconductivité • Cellules photovoltaïques

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Spintronique

• Découverte par Albert Fert et Peter Grünberg (1988) Nobel 2007 • Magnéto Resistance Géante • Augmentation spectaculaire de la capacité des disques durs • Première réalisation IBM 1997

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Les sociétés établies

• IBM – Née en 1924 de la fusion de 3 compagnies – Calcul électromécanique – Carte perforée – Compagnie mondiale de grande taille (30 000 en 1950) – Débuts informatiques en 1948-1950 (IBM701) – Invente le disque dur (1956) – Invention des mainframes (IBM 360) 1964 – Invention du copieur laser (1976) – Nombre d’employés maxi en 1985 (405 000) – Plus d’innovations majeures depuis cette date

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Les sociétés établies

• Marconi – Diode – Radio transatlantique – Radiodiffusons haute fréquence (BBC) – Radar – Télévision – Systèmes pour l’aviation

• GE – Machine à rayons X – Réfrigérateur – Thyristors – IRM

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Les sociétés établies

• Bell Labs ATT et Western Electric – côte Est (N.J.) • Bell Labs prix Nobel

– 1937: Clinton J. Davisson nature ondulatoire de la matière. – 1956: John Bardeen, Walter H. Brattain, and William Shockley

Transistor. – 1977: Philip W. Anderson structure électronique du verre de

materiaux magnetiques. – 1978: Arno A. Penzias and Robert W. Wilson Bruit de fond

interstellaire. – 1997: Steven Chu Piégeage des atomes par laser. – 1998: Horst Störmer, Robert Laughlin, and Daniel Tsui,

Explication de l’Effet Hall. – 2009: Willard S. Boyle, George E. Smith invention des CCD.

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Les sociétés établies

• Bell Labs inventions – Cinéma parlant – Stéréophonie – Fax – Radioastronomie – Transistor – Cellule photoélectrique – Radio numérique – Théorie de l’information – Cryptographie

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Les nouvelles sociétés (après 1945)

• Silicon Valley • Hewlett-Packard - oscilloscope • Fairchild - circuits intégrés • Motorola – circuits intégrés • Xerox Parc photocopie –interface graphique - souris • Intel Microprocesseurs • AMD - Microprocesseurs

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Economie de l’électronique Deuxième moitié du XXème siècle

• Invention du transistor (1947) • Expansion économique générale après la guerre • Premier débouché (radio à transistors) • Deuxième débouché télévision • Troisième débouché informatique (gros ordinateurs) • Quatrième débouché microinformatique • Cinquième débouché téléphone mobile • Les innovations sur les composants ont toujours trouvé un

marché pour les absorber 01/12/2014 62

Prix des mémoires

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Coûts microprocesseurs

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Origine du foisonnement récent

• L’électronique semble s’autoalimenter depuis la seconde guerre mondiale

• Le transistor et les circuits intégrés ont évolué suivant la loi de Moore

• Le marché informatique semble sans limites pour ces composants

• Les standards de fait facilitent l’explosion du marché • Effet de cluster (Silicon Valley) • Bien adapté aux valeurs du monde anglo-saxon (liberté

d’entreprise, recherche du profit)

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La Silicon Valley

• Zone de concentration des entreprises d’électronique et d’informatique au Sud de San Francisco

• Ecosystème exemplaire unissant Université, entreprises, juristes et capital risque

• En réaction à la côte Est dès 1890 • Racines dans le complexe militaro-industriel Sunnyvale,

NACA, Lockheed, • Sandford Industrial Park • Etat d’esprit très « californien » • Grand développement après la seconde guerre mondiale

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La Silicon Valley

• Fairchild • Hewlett-Packard • Intel • Xerox PARC • Adobe • Apple • Cisco • Oracle • Google • Facebook

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Terman

Stanford Université de Stanford

Applications récentes de l’électronique

• Internet (protocole et réseaux) • Le « Cloud » • « Big data » et Data mining • Tablettes et smartphones • GPS • Imagerie médicale

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Bibliographie

• Une brève histoire de l’électronique de Henri Lilen – Vuibert 2003 - 640 pages

• Histoire de la radio • Histoire du téléphone • Histoire du radar • Histoire des tubes électroniques • Histoire de la télévision • Histoire de la physique des semiconducteurs • Invention du transistor (en anglais)

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Conclusions

• Révolution industrielle fille de l’électricité • On ne perçoit pas encore les limites à son développement • Limites possibles:

– Barrière quantique – Usage des terres rares – Ralentissement de l’obsolescence par évolution technique

• Expansions possibles: – Nombreux domaines encore peu « envahis » (santé, domotique) – Spintronique – Electronique moléculaire et nano matériaux

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L’électronique, mais c’est très simple!

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