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RÉSUMÉ
Cet article s’intéresse aux amplificateurs de puissance à état-solide en radiofréquence, notamment suite à l’introduction de technologies "grand gap" en nitrure de gallium (GaN). Il introduit les technologies état-solide de puissance MESFET, MOSFET et HEMT, décrit le fonctionnement des transistors et expose les performances accessibles en termes de puissance, fréquence et rendement. Il s’intéresse également aux différentes classes de fonctionnement et aux solutions permettant d’optimiser le compromis rendement - linéarité.
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Thierry LEMOINE : Directeur technique - THALES Microwave and Imaging Subsystems, Vélizy, France
INTRODUCTION
Depuis les années 1970, et davantage encore depuis 1985 et l’émergence des technologies de puissance en GaAs, les concepteurs de fonctions d’amplification de puissance ont accès à des dispositifs état solide (SSPA pour Solid-State Power Amplifiers). Par rapport aux tubes électroniques, l’état solide est en règle générale moins cher et plus (parfois beaucoup plus) intégré. Donc, si une fonction est réalisable avec des transistors, cette technologie sera préférée ; la puissance en fonction de la fréquence d’une fonction état solide est le premier paramètre à considérer dans une analyse comme celle-ci. Cependant, la comparaison peut être moins simple et les critères plus complexes. Volume, linéarité, facteur de bruit et rendement électrique en particulier sont souvent pris en compte [E 1 426].
Quelle puissance peut être obtenue avec un SSPA ? Comme pour les tubes, il faut distinguer entre les technologies : transistor à effet de champ ou bipolaire, MESFET, MOSFET ou HEMT. S’ajoutent deux autres niveaux de complexité non retrouvés dans les tubes hyperfréquence. D’une part, les dispositifs état solide, très intégrés, se prêtent à des arrangements divers (classes de polarisation, assemblage de composants, etc.), le spectre des solutions possibles est étendu, fruit de compromis entre puissance, bande passante, linéarité et rendement. D'autre part, les transistors élémentaires offrent des puissances limitées, et la réalisation d’amplificateurs de puissance exige de les combiner. Cette mise en parallèle est presque systématique, sur une puce s’il s’agit d’un MMIC, puis entre puces.
Nous décrivons les performances de l’état solide en adoptant une hiérarchie technologie des composants élémentaires / classes de fonctionnement / mise en parallèle. Les éléments nécessaires à une bonne compréhension sont donnés et le lecteur se reportera aux articles [E 1 426] [E 1 610] [E 1 611] [E 2 450] [E 2 810] pour davantage d’explications.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et expressions importants de l’article, ainsi qu’un tableau des acronymes et un tableau des sigles utilisés.
L'auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de THALES, en particulier MM. Sylvain Delage, Philippe Thouvenin et Gildas Gauthier.
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5. Conclusion
En quelques décennies, les technologies état solide ont fait d’énormes progrès ; en parallèle et de façon indépendante, dans beaucoup de systèmes (radars, télécommunications), les besoins en puissances crêtes ont baissé, suite au passage au numérique, grâce à des algorithmes sophistiqués de traitement de signal, ou simplement du fait de la généralisation des antennes à réseaux de phase (ou antennes actives). Ces deux évolutions se sont conjuguées pour pousser l’introduction de SSPA vers des marchés qui furent longtemps la chasse gardée des tubes.
La dernière évolution des technologies état solide concerne le passage à des matériaux à grand gap, notamment le GaN. Ils ont permis de gagner un facteur 5 environ sur la puissance accessible, et à puissance identique quelques 5 à 10 % de rendement grâce à la suppression de plusieurs étages de combineurs. Les technologies GaN permettent de réaliser aussi des fonctions bas niveau et, en particulier, d’excellents amplificateurs à faible bruit (LNA) ; il y a donc fort à parier qu’elles se substitueront entièrement aux technologies GaAs, MESFET ou pHEMT.
Y aura-t-il d’autres ruptures du même ordre dans l’avenir ? Prévoir le contraire, c’est prendre un très grand risque d’être contredit. Néanmoins, la transition vers d’autres matériaux sera lente. Des laboratoires travaillent par exemple sur le diamant, compatible de champs de claquage encore plus élevés, et offrant des performances thermiques inégalables. Sur le papier, le matériau est idéal à tous points de vue : champ de claquage supérieur à 10 MV/cm (3 fois mieux que le GaN), conductivité thermique supérieure à 2 000 W/m°C (cinq fois le SiC – la start-up californienne Akash propose par exemple une solution de report du transistor GaN par collage moléculaire sur un substrat diamant qui remplace le SiC), et la mobilité est supérieure à 3 000 cm2/Vs (trois fois le GaN). Cependant, les difficultés techniques sont énormes (par exemple, on n’en maîtrise pas le dopage) et les coûts de R&D sont à l’avenant, pour un marché qui, pour l’essentiel, se satisfait des performances offertes par le GaN et qui, vu du fondeur, reste un marché de niche lorsqu’on le compare au CMOS et plus prosaïquement aux investissements auxquels il faut consentir. Il a fallu 15 à 20 ans au GaN pour parvenir à maturité....
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MISHRA (U.K.), SINGH (J.) - Semiconductor Device Physics and Design. - Springer (2008).
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(5) - SZE (M.S.) - Physics of Semiconductors Devices (2nd Ed.). - Wiley (1981).
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(6) - GREBENNIKOV (A.), SOKAL (N.O.), FRANCO (M.J.) - Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers. - Academic Press (2012).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
L'édition annuelle des proceedings de l’IMS (MTT-S) et EuMW.
HAUT DE PAGE2 Données statistiques et économiques
Une liste complète serait difficile à établir dans le cas de l’état solide, compte tenu de la diversité des acteurs. Il faudrait prendre en compte les fabricants des wafers épitaxiés, les fonderies (ouvertes ou non, voire captives, certaines étant de gros laboratoires industriels avec une activité de recherche prédominante), les « design house », les sociétés d’assemblage micro-électronique, et les fabriquant d’émetteurs, voire certains distributeurs. Le tableau 1 ne s’intéresse qu’aux fonderies RF (hors composants pour alimentations et VDMOS).
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