Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les composants semiconducteurs utilisés dans les systèmes hyperfréquences peuvent être divisés en quatre groupes : les composants discrets non linéaires, les composants discrets permettant la génération de puissance hyperfréquence, les composants discrets tripôles et les circuits intégrés monolithiques micro-ondes. Les principes physiques régissant le fonctionnement de ces divers composants sont précisés, ainsi qu’un état de l’art des performances obtenues à ce jour en laboratoire et en production de série.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Gilles DAMBRINE : Professeur à l'Université des Sciences et Technologies de Lille
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Sylvain BOLLAERT : Maître de conférences à l'Université des Sciences et Technologies de Lille
INTRODUCTION
Cet article a pour but de présenter les différents composants semiconducteurs utilisés dans les systèmes hyperfréquences. Ces composants peuvent être divisés en quatre groupes.
1) Les composants discrets non linéaires (diodes Schottky, PIN et varactors) qui permettent de traiter les signaux hyperfréquences en modifiant leur amplitude (atténuateurs, modulateurs), leur fréquence ou leur phase (détecteurs, mélangeurs, multiplicateurs, déphaseurs).
2) Les composants discrets permettant la génération de puissance hyperfréquence : ce sont principalement les diodes à avalanche et temps de transit et les diodes à effet Gunn.
3) Les composants discrets tripôles (transistors à effet de champ ou transistors bipolaires) qui permettent non seulement l'amplification faible bruit ou l'amplification de puissance des signaux mais également la génération de puissance hyperfréquence (oscillateurs).
4) Les circuits intégrés monolithiques micro-ondes qui réunissent, sur un même substrat semiconducteur, différents composants actifs et passifs afin de réaliser une fonction complète.
Les principes physiques régissant le fonctionnement de ces divers composants seront précisés et un état de l'art des performances obtenues à ce jour tant pour des composants de laboratoire que pour des composants commerciaux sera donné en termes de fréquences limites, puissance, rendement, gain, facteur de bruit, etc.
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Dipôles (diodes)
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1. Matériaux pour composants hyperfréquences
Les performances hyperfréquences (ou micro-ondes) d'un composant semiconducteur dépendent d'une part des propriétés physiques du matériau utilisé, et d'autre part de la topologie du composant et des mécanismes physiques fondamentaux qui en régissent le fonctionnement. Durant la dernière décennie, des progrès considérables ont été réalisés dans le domaine des matériaux semiconducteurs et des composants pour hyperfréquences grâce au développement des techniques d'épitaxie (épitaxie par jets moléculaires et en phase gazeuse par la méthode des organométalliques) et à l'utilisation de l'implantation ionique et de la lithographie par faisceau d'électrons. Cela a permis d'améliorer les performances électriques des composants usuels (transistors bipolaires, diodes) et de réaliser de nouveaux composants (transistors à hétérojonction).
1.1 Matériaux et composants
Pour réaliser, par implantation ionique et/ou épitaxie, les couches actives des composants hyperfréquences, trois types de substrats sont disponibles : le silicium (Si), l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphore d'indium (InP).
La croissance cristalline de couches épaisses (100 nm) de bonne qualité cristallographique n'étant possible que pour un matériau ayant le même paramètre de maille que celui du substrat, trois filières de matériaux se sont développées :
1 La filière Si avec des composants tels que les transistors bipolaires, les MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) et les diodes IMPATT (IMPact Avalanche and Transit Time).
2 La filière GaAs constituée des composants GaAs tels que MESFET (MEtal Semiconductor Field Effect Transistor), diodes IMPATT, diodes à transfert d'électrons (Gunn), et des composants à hétérojonction (Ga1−x Al x As/GaAs tels que les TBH (Transistor Bipolaire à Hétérojonction) et les HEMT (High Electron Mobility Transistor) utilisant le matériau ternaire GaAlAs qui est pratiquement adapté en maille sur GaAs dans toute la gamme des compositions.
3 La filière InP constituée de composants tels que les diodes à transfert d'électrons InP et les HEMT à hétérojonction Al InAs/Ga...
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Matériaux pour composants hyperfréquences
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FISCHETTI (M.) - Monte Carlo simulation of transport in technologically significant semiconductors of the diamond and zinc-blende structures - (Simulation des propriétés de transport dans les semiconducteurs les plus importants par la méthode Monte Carlo). IEEE Trans. Elec. Devices, vol. ED-38, no 3, 1991, p. 634 à 639.
-
(2) - CONSTANT (E.), CARNEZ (B.) - Amplificateur hyperfréquences à diode Gunn, avalanche et Barrit - . L'Onde Électrique, vol. 56, no 8-9, 1976, p. 349 à 357.
-
(3) - ROLLAND (P.A.), SALMER (G.), CONSTANT (E.), FAUQUEMBERGUE (R.) - Comparative frequency behaviour of GaAs, InP and GaInAs transferred electron devices. Dérivation of a simple comparative criterion - (Comparaison des comportements des diodes à transfert d'électrons en fonction de la fréquence. Déduction d'un critère de comparaison simple.) IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-28, no 3, 1981, p. 342 à 343.
-
(4) - CARNEZ (B.), CAPPY (A.), KASZYNSKI (A.), CONSTANT (E.), SALMER (G.) - Modelling of a submicrometer gate field-effect transistor including effects of non stationary electron dynamics - (Modélisation des transistors à effet de champ à grille submicronique incluant les effets de la dynamique électronique...
ANNEXES
Autres références
RUCH (J.G.) - Electron dynamics in short channel field-effect transistors - (Dynamique des électrons dans les transistors à effet de champ à canal court). IEEE Trans. Electron. Devices, vol. ED-19, 1972, p. 652.
SZE (S.M.) - Physics of semiconductor devices - (Physique des composants semiconducteurs). 2e édition, 1981, John Wiley.
SHUR (M.) - Physics of semiconductor devices - (Physique des composants semiconducteurs). Prentice Hall series in Solid State Physical Electronics, 1990, Prentice Hall.
* - Numéro spécial : Solid-state microwave millimeter wave power generation, amplification and control (Contrôle, amplification et génération de puissance en microondes et ondes millimétriques avec des composants à l'état de solide). IEEE Trans. MTT, vol. 27, no 5, 1979.
LAVERGHETTA (T.S.) - Solid state microwave devices - (Composants microondes à l'état solide). 1987, Artech-House.
VENDELIN (G.D.) - Microwave circuit design using linear and nonlinear techniques - (Conception de circuits microondes en utilisant les méthodes linéaires et non linéaires). 1990, John Wiley.
SZE (S.M.) - High speed semiconductor devices - (Composants semiconducteurs ultrarapides). 1990, John Wiley Éditeur.
VAPAILLE (A.), CASTAGNE (R.) - Dispositifs et circuits intégrés semiconducteurs - . 1987, Dunod.
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