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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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VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2004 par Christian RUMELHARD
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2. Modélisation électrique des transistors hautes fréquences
2.1 Modèle linéaire pour un transistor à effet de champ
L’approche ci-dessous décrit le modèle équivalent dit « petit signal » applicable à tout transistor à effet de champ III-V et silicium. Ce modèle est une représentation électrique approchée et macroscopique de phénomènes physiques complexes. Toutefois, sa validité a été démontrée jusqu’en gamme millimétrique dans le cas des HEMT et MOSFET. Ce modèle est une solution simple et efficace pour la conception de circuits intégrés micro-ondes et millimétriques fonctionnant en régime linéaire (par exemple : amplificateurs faible bruit).
La figure 3 donne la représentation de base d’un tel schéma. Les éléments de ce schéma sont généralement directement extraits des données de mesures des paramètres S (Scattering Parameters).
Dans ce schéma, les capacités C GS, C GD et C DS représentent les capacités grille-source, grille-drain et drain-source. R C (souvent noté R i dans les publications et ouvrages) et G DS représentent la résistance du canal et la conductance de drain. R S et R D représentent les résistances entre la grille et le contact de source et entre la grille et le contact de drain et R G représente la résistance du barreau de grille. Quant à g m, il représente la transconductance entre la tension à l’entrée et le courant de sortie. Il faut rappeler que ce schéma approxime les paramètres S dans une gamme de fréquence limitée. Au-delà, il est toujours possible d’utiliser ce même schéma mais la réponse simulée peut diverger de la réalité.
Exemple : les éléments du schéma équivalent pour un MESFET ayant deux doigts de grille de 0,5 µm × 75 µm sont donnés ci-dessous pour une polarisation V DS0 = 3 V et V GS0 = – 0,4 V correspondant à un courant I D0 = 10,6 mA. Alors, une première série d’éléments est :
C GS = 110 fF ; C GD = 30 fF ; C DS = 40 fF ;...
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Modélisation électrique des transistors hautes fréquences
BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(3) - ROULSTON (D.J.) - Bipolar semiconductor devices - (Les composants bipolaires à semi-conducteurs), McGraw Hill PublishingCompany, (1990).
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(4) - CASTAGNÉ (C.), DUCHEMIN (J.-P.), GLOANEC (M.), RUMELHARD (Ch.) - Circuits intégrés en arséniure de gallium - Masson, (1989).
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(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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