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RÉSUMÉ
Cet article traite des circuits intégrés microondes (MMIC). Il décrit les principes de fonctionnement des transistors à effet de champ et bipolaires relatifs aux principales filières technologiques de circuits intégrés hautes fréquences. L’article insiste sur une description précise des filières technologiques disponibles aux concepteurs de MMIC, et des diverses approches de modélisation électrique de ces transistors.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Gilles DAMBRINE : Professeur à l’Université de Lille, Institut d’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologies, IEMN, France
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Didier BELOT : Ingénieur (PhD, HDR), STMicroelectronics, Crolles, France
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Pascal CHEVALIER : Ingénieur (PhD), STMicroelectronics, Crolles, France
INTRODUCTION
Le concepteur de MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) dispose de plateformes de conception intégrant tous les outils multiphysiques (électrique, électromagnétique, thermique, mécanique) lui permettant de concevoir, d’optimiser une fonction ou un ensemble de fonctions appelé système et de générer le routage du circuit (on parle de « layout »).
Ces plateformes de conception intègrent également des bibliothèques de composants actifs et passifs, de fonctions élémentaires et de sous-ensembles. Des bibliothèques, dédiées aux diverses technologies et compatibles avec ces environnements de conception, sont mises à la disposition du concepteur par le fabricant de composants et de circuits. Dans le domaine de la microélectronique et des circuits intégrés, on appelle ces fabricants : les « fondeurs ». Ces bibliothèques fournies par les fondeurs sont appelées « Design Kit ». Généralement, un « Design Kit » est propre à une technologie et à un fondeur donnés.
Devant de tels moyens, la conception de MMIC semble au premier abord aisée et très assistée par ces outils. Il n’en est rien pour plusieurs raisons : les MMIC fonctionnent en haute, voire très haute, fréquence ; les technologies sont souvent utilisées aux limites de leurs performances. Même pour une fonction de faible complexité (par exemple un amplificateur HF multiétage), le nombre de paramètres que doit maîtriser le concepteur est très important et les effets engendrés et couplés de ces paramètres sur les caractéristiques du circuit peuvent rapidement dépasser le contrôle du concepteur.
Dans cet article, nous passons en revue les technologies permettant la réalisation de MMIC, tant pour les filières III-V que silicium. Nous décrivons les grands principes des transistors à effet de champ et bipolaires. Ensuite, nous passons en revue la modélisation électrique des transistors à effet de champ et bipolaires. L’idée générale est de permettre au lecteur d’avoir une vision exhaustive afin d’appréhender le choix d’une technologie donnée pour la conception de MMIC.
Un deuxième article [E1427] est consacré aux composants passifs et à la polarisation des composants actifs.
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- Version archivée 1 de févr. 2004 par Christian RUMELHARD
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Modélisation électrique des transistors hautes fréquences
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1. Différents types de composants actifs
Les MMIC comportent à la fois des composants actifs tels que les diodes et les transistors ainsi que des composants passifs tels que les résistances, capacités, inductances, lignes de transmission, etc. Les performances, en termes de fréquences de fonctionnement, de bruit, de puissance haute fréquence émise et de puissance continue consommée, sont majoritairement liées à la technologie. Le choix de ou des filières technologiques pour réaliser le MMIC dépend principalement du cahier des charges, de l’application et du coût.
Même si les caractéristiques haute fréquence des composants passifs influent largement sur celles des MMIC, le type et la technologie des transistors sont déterminants.
Les transistors sont de deux types : les transistors à effet de champ et les transistors bipolaires. Aujourd’hui, pour la réalisation de MMIC, les transistors à effet de champ sont majoritairement de type MOSFET (MetalOxideSemiconductor Field Effect Transistor) pour les filières silicium et HEMT (High Electron Mobility Transistor) pour les filières III-V. Les transistors bipolaires sont de type HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) pour les filières technologiques silicium et III-V.
Dans les paragraphes 1.1 à 1.4, nous passerons en revue les différents types de transistors utilisés pour la conception et la réalisation des MMIC et les filières technologiques associées.
Pour les principes de fonctionnement, la technologie et les performances des transistors, nous conseillons au lecteur de lire l’article [E2810] « Composants à semiconducteurs pour hyperfréquences » et [E2450] « composants III-V » mais aussi les articles ...
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Différents types de composants actifs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ALI (F.), GUPTA (A.) - HEMT and HBTs : Devices, fabrication, and circuits - (Les HEMT et les TBH : les composants, la fabrication, les circuits), Artech House, (1991).
-
(2) - GOLIO (J.M.) - Microwave MESFETs and HEMT - (Les MESFET et HEMT micro-ondes), Artech House, (1999).
-
(3) - ROULSTON (D.J.) - Bipolar semiconductor devices - (Les composants bipolaires à semi-conducteurs), McGraw Hill PublishingCompany, (1990).
-
(4) - CASTAGNÉ (C.), DUCHEMIN (J.-P.), GLOANEC (M.), RUMELHARD (Ch.) - Circuits intégrés en arséniure de gallium - Masson, (1989).
-
(5) - GOLIO (J.M.) - The push towardlow voltage devices - (La poussée vers les dispositifs à faible tension d’alimentation), IEEE Microwave Magazine, March 2000, p. 38-45.
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(6) - RUMELHARD...
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