Conducteurs en hautes fréquences

L'utilisation des conducteurs en hautes fréquences a considérablement évolué depuis les années de la fin du dernier siècle. Il faut évoquer la révolution des nanotechnologies, dont les premières manifestations sont l'élaboration du microscope à effet tunnel et la découverte des nanotubes. Mais les technologies classiques de photolithographie ainsi que les procédés faisant appel à la micromécanique permettent de diminuer la dimension latérale des lignes jusqu'au micromètre. Il est bon de rappeler à ce propos la fameuse loi de Moore , qui se vérifie encore plus de quarante années après sa première formulation : le nombre de transistors d'un circuit intégré double tous les deux ans (dix-huit mois dans l'article original), malgré les difficultés engendrées par le niveau moléculaire des plus petites dimensions atteintes maintenant. Cela implique une diminution d'autant des largeurs et longueurs de lignes. Si bien que certains problèmes qui soulevaient des difficultés importantes, en particulier concernant les pertes le long des lignes, le font beaucoup moins pour ce type de circuits vu la petitesse des connexions.

Par ailleurs, les progrès exponentiels des moyens de calcul ont amené progressivement les concepteurs de circuits à exploiter les couplages électromagnétiques directs, car ils sont devenus accessibles à la simulation électromagnétique et peuvent donc être contrôlés. L'exemple le plus connu et sans doute le plus ancien est la suppression de la tige d'excitation d'une antenne plaque et son remplacement par une ouverture rayonnante dans le plan de masse . Depuis, l'utilisation de surfaces sélectives en fréquences dans les circuits et la variété des dispositifs quasi optiques montrent que la ligne ou le guide traditionnel ne sont plus dans bien des cas la seule solution pour élaborer un circuit. Enfin, on constate que les métaux ne constituent plus la seule possibilité pour réaliser des conducteurs : les procédés de sérigraphie font appel a des encres conductrices, et des conducteurs moléculaires ou composites se développent, pour des raisons de coût mais aussi de souplesse dans la réalisation, certains sont même flexibles . Ces matériaux ne vont pas bien sûr remplacer dans un proche avenir les circuits planaires à plaque métallisée (PCB ou Printed Circuits Boards en anglais) très utilisés dans l'électronique courante.

Dans l'article, ces considérations seront illustrées par des exemples de réalisations industrielles, mais aussi par des recherches qui portent en elles des développements prometteurs. Une place sera faite aux dernières avancées qui risquent de bouleverser les techniques actuelles : les nanotubes, la spintronique, et, dans le domaine de l'optique, la plasmonique. L'enjeu est d'augmenter la fréquence des ordinateurs et le nombre de bascules, avec l'espoir que la loi de Moore se vérifie encore dans un avenir proche (sa validité est souvent mise en doute au-delà des années 2020).

Cependant les conducteurs en hautes fréquences ont un comportement de base qui n'a guère évolué depuis les années 1960. Les modèles simples et utiles seront rappelés dans le premier paragraphe. Le modèle adopté est le modèle de Drude (voir pour en savoir plus chapitres 1 et 2), physicien du début du 20^e siècle, qui donne une équation d'évolution de la vitesse moyenne des porteurs dans un conducteur massif. De cette équation d'évolution, on déduit l'expression de la conductivité.

Avec la généralisation des nanotechnologies le domaine de l'électronique a été complètement bouleversé, on assiste actuellement à l'apparition des conducteurs à une ou deux dimensions, c'est-à-dire, qu'une ou deux dimensions sont de l'ordre de la longueur d'onde de Fermi. Dans ces conditions, les états ne sont plus suffisamment nombreux dans ces dimensions pour autoriser l'utilisation d'une statistique. Les conséquences sont suffisamment importantes au niveau de la conductivité et des potentiels de contact pour être abordées dans le début de cet article (paragraphes 2, 3, 4), malgré l'intervention marginale de ces types de matériaux actuellement, ils présentent une alternative extrêmement prometteuse au niveau de la miniaturisation des circuits. Le paragraphe 2 effectue un retour sur les statistiques de Fermi-Dirac uni- et bidimensionnelles, nécessaire pour donner l'expression de la conductivité de ces matériaux (paragraphe 3), ainsi que leur résistance de contact (paragraphe 4).

Le phénomène essentiel responsable des pertes en hautes fréquences est l'effet Kelvin ou de peau. Après la description de ses propriétés (paragraphe 5), on évalue les pertes selon les différents types de lignes, ainsi que les pertes par rayonnement et dans les connexions (paragraphe 6).

Il est important également de poser les bases de la compatibilité électromagnétique, discipline qui prend de plus en plus d'importance avec la multiplication des dispositifs communicants sans fil, et le remplacement, maintenant courant, des métaux par des composites, en particulier pour les boîtiers des circuits, qui ont de bonnes performances en poids, en résistance mécanique et surtout en coût, mais, par contre, qui sont plus transparents aux ondes électromagnétiques que les matériaux traditionnels et donc plus sensibles aux perturbations électromagnétiques. Un modèle simple de l'impédance de transfert sera développé au paragraphe 7.

Enfin, les dernières avancées dans l'utilisation et la conception des conducteurs seront évoquées dans le dernier paragraphe, elles concernent la micromécanique, les nanotechnologies, les conducteurs non métalliques, les techniques quasi optiques, la plasmonique et la spintronique.