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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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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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3. Tripôles (transistors)
Si l'utilisation des diodes pour la réalisation des oscillateurs est assez simple, il n'en est pas de même dans le cas des amplificateurs. Pour cette application, il est donc préférable d'utiliser des transistors, beaucoup plus simples d'emploi et très performants tant pour les applications faible signal - faible bruit que pour les applications de puissance. En hyperfréquences, deux familles de transistors, les transistors bipolaires et les transistors à effet de champ, sont utilisées. Durant la dernière décennie, la structure de ces composants a évolué grâce aux énormes progrès de la microlithographie et des techniques de croissance épitaxiale et d'implantation ionique. Ces progrès ont permis de diminuer significativement les dimensions horizontales (microlithographie) et verticales (épitaxie) des composants. L'utilisation des hétérojonctions dans les structures bipolaires et dans les structures à effet de champ a permis une amélioration considérable des performances des transistors (gain, facteur de bruit, puissance).
3.1 Performances micro-ondes
En fait, les dispositifs tripôles à commande de charges sont toujours considérés comme des quadripôles. En régime linéaire (faible signal), ces quadripôles peuvent être caractérisés soit par un schéma équivalent à éléments localisés, soit par une boîte noire définie par des paramètres impédance Z, admittance Y, S (scattering) ou toute représentation équivalente (chaîne…). Afin de comparer les performances des différents types de dispositifs, on a l'habitude de définir un certain nombre de grandeurs caractéristiques qu'il nous semble important de préciser ici. Bien que ces facteurs de mérite des quadripôles puissent être définis à l'aide des paramètres impédance ou admittance, les paramètres de répartition [S ij ] seront le plus souvent utilisés.
HAUT DE PAGE3.1.1 Performances fréquentielles
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Gain en puissance disponible maximale G max : il est donné par la relation :
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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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