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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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Christian RUMELHARD : Professeur au Conservatoire national des arts et métiers Laboratoire de physique des composants électroniques
INTRODUCTION
La conception des circuits intégrés monolithiques micro-ondes implique une connaissance approfondie des composants actifs et passifs pour plusieurs raisons.
Lors de la réalisation du premier circuit intégré analogique monolithique micro-onde, il existait un seul transistor : le MESFET GaAs. Maintenant, les transistors fonctionnant en micro-ondes sont devenus très nombreux et peuvent se trouver sur différents substrats. À chacun de ces composants actifs correspond une technologie ayant des performances et une maturité différentes. La première étape de la conception d’un circuit devra se soucier du choix du composant actif, donc d’une technologie.
Une fois le choix du composant actif effectué, il faut disposer de modèles qui décrivent les performances correspondant au circuit à réaliser et ceci en fonction de la largeur des grilles pour les FET ou de la longueur de l’émetteur pour les transistors bipolaires à hétérojonction. Ces deux dimensions ou bien le nombre de doigts des transistors pourront toujours varier en fonction des besoins. Selon les circuits, les grandeurs demandées aux modèles de composants actifs sont très différentes. Cela peut aller du schéma équivalent petit signal, qui est en général connu, aux performances en bruit de phase en basse fréquence qui impliqueront souvent des mesures complémentaires.
Ensuite il faut connaître les modèles des composants passifs qui seront toujours plus ou moins les mêmes quelle que soit la technologie. Ce sont ces modèles qui sont présentés. Certains d’entre eux, comme les modèles d’inductances sur substrat silicium sont encore susceptibles d’évoluer.
Dans les circuits intégrés monolithiques micro-ondes, toutes les connexions sont des tronçons de lignes et sont donc aussi des composants. De plus, ces composants peuvent être couplés entre eux et ainsi provoquer des perturbations importantes dans les circuits. La conception de ces circuits impose donc d’avoir des outils de caractérisation électromagnétique des lignes. Ce sujet ne sera pas abordé dans cet article.
Dans les circuits analogiques, les polarisations continues ne doivent pas interférer avec les signaux hautes fréquences. Avant de concevoir des circuits, il faut donc savoir polariser les composants actifs. Cela se fait avec des composants passifs ou actifs et selon des méthodes qui dépendent de la fréquence. C’est ce qui sera examiné dans le dernier paragraphe.
Cette étude des circuits intégrés monolithiques micro-ondes se compose de plusieurs articles :
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MMIC- Évolution et technologie, traitant de l’évolution et de la technologie des MMIC,
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[E 1 426] qui passe en revue les composants passifs et actifs micro-ondes,
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MMIC- Déphaseurs et amplificateurs qui décrit les MMIC déphaseurs et amplificateurs,
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MMIC - Oscillateurs, mélangeurs, convertisseurs qui traite de la modulation, démodulation et conversion de fréquence,
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- Version courante de nov. 2015 par Gilles DAMBRINE, Didier BELOT, Pascal CHEVALIER
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2. Composants passifs et leurs modèles
Les circuits intégrés monolithiques analogiques comportent de nombreux éléments passifs tels que résistances, capacités, inductances ou lignes de configurations diverses. Ces composants seront plus ou moins les mêmes, quel que soit le choix des composants actifs et du substrat. Seules les inductances sur substrat Si donnent lieu à des études récentes prenant en compte les pertes dans le substrat ou permettant de s’en affranchir. Ce chapitre donne une idée de la structure, des limites physiques et des modèles de ces composants. Bien que la modélisation d’un composant passif tel qu’une self semble acquise depuis de nombreuses années, il apparaîtra que c’est loin d’être le cas et ce sera l’occasion de montrer dans quelles conditions des modèles peuvent être établis à partir de formulations physiques ou bien à partir de mesures.
2.1 Résistances
La figure 24 schématise les deux moyens de réaliser une résistance.
• Le premier (figure 24 a) consiste à utiliser un tronçon de couche active. La résistance d’une telle couche dépend de la structure de cette zone active qui est elle-même fonction du composant à réaliser (transistor à effet de champ simple ou à hétérojonction ou transistor bipolaire). Le contact avec la couche active doit être établi par un contact ohmique. Les connexions avec d’autres composants sont ensuite assurées par un métal épais.
• Une autre solution (figure 24 b) consiste à réaliser un dépôt résistif spécifique. L’établissement du contact électrique ne pose plus de problème particulier. Les matériaux possibles sont le Cr, le Ti, le Ta, le NiCr, le TaN et pour les valeurs de résistances très élevées (par exemple, 100 kΩ), un composé W Si Ti N. Habituellement, cette couche résistive est déposée sur une couche isolante ce qui permet de l’utiliser même avec un substrat non parfaitement isolant comme le Si.
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Modèle
Les résistances en couches minces ne peuvent pas être caractérisées par leur résistivité massique. Au fur et à mesure que l’épaisseur diminue, la structure de la couche évolue et cette résistivité augmente considérablement...
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Composants passifs et leurs modèles
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ALI (F.), GUPTA (A.) - HEMTs and HBTs : Devices, Fabrication, and Circuits (Les HEMT et les TBH : les composants, la fabrication, les circuits) - , Artech House, 1991.
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(3) - ROULSTON (D.J.) - Bipolar Semiconductor Devices (Les composants bipolaires à semi-conducteurs) - , McGraw Hill Publishing Company, 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 toward low 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 (C.) - État et évolutions des technologies - ,...
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