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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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4. Circuits intégrés hyperfréquences
4.1 Introduction
Un circuit intégré monolithique micro-ondes (MMIC) consiste en une intégration sur le même substrat semiconducteur (Si, GaAs, InP, GaN) d'éléments actifs et passifs réalisant une fonction complète (amplificateur, mélangeur, oscillateur…). Le concept de MMIC est ancien et la commercialisation de ces circuits date du milieu des années 1980. Par rapport au circuit hybride où les différentes puces (transistors…) sont reportées sur un circuit imprimé, le circuit monolithique présente les avantages suivants :
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absence de connexions par fils impliquant une réduction des éléments parasites et une meilleure fiabilité dans la mesure où les connexions sont à l'origine de la plupart des défauts de fonctionnement ;
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réduction de la taille des circuits ;
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composants actifs et passifs optimisés individuellement ; les choix du concepteur ne sont pas limités par un catalogue de composants ;
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coût du circuit non proportionnel à sa complexité (tout problème de rendement de fabrication mis à part) ;
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possibilité de tests hyperfréquences sur plaques réduisant le coût global du test des circuits.
Les principaux inconvénients des circuits monolithiques par rapport aux circuits hybrides sont :
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le coût d'équipement très élevé ;
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aucune possibilité d'accord entre les éléments ;
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substrat à permittivité relative élevée (≈ 12) (intégration d'antenne difficile) ;
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des couplages parasites entre les éléments ou avec le plan de masse.
Bien que des circuits intégrés d'usage courant (amplificateur faible bruit, amplificateur de puissance, amplificateur large bande, mélangeur, commutateur, diviseur de fréquence…) soient disponibles au catalogue des constructeurs, l'utilisation d'une fonderie pour la réalisation de MMIC s'est développée rapidement. Le principe de la fonderie est de proposer une réalisation de MMIC spécifiques sur la base d'une technologie établie et de règles de dessins précises. L'utilisation d'une fonderie est donc tout à fait intéressante pour la fabrication de circuits réalisant des fonctions spécifiques ou ayant des performances bien précises. Le processus de conception puis de réalisation...
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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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