LA GENERATION DE L'IMPULSION HAUTE TENSION

IV.3.1. Les Besoins.

L'équipe de Riga a directement transposé son savoir faire des radars VHF et UHF pour le radar Prism. Pour les radars VHF, vers 100MHz, si on excite l'antenne avec une impulsion

unipolaire, celle ci doit durer de l'ordre de 5 nano-secondes au maximum (une demi-période du mouvement de courant sur l'antenne; voir chapitre III). Il faut donc que la durée cumulée du front de montée et du front de descente soit inférieure à 5 ns. Pour des fronts encore plus courts, de l'ordre de la nano-seconde, et pour des tensions de plusieurs dizaines de volts, les radars du groupe de Riga utilisent des Diodes. Pour les tensions plus importantes et plus larges de Prism, nos collègues ont décidé d'utiliser l'effet d'avalanche d'un transistor bipolaire. Le spectre de cette impulsion de décharge très rapide peut s'étaler depuis le continu jusqu'à plusieurs centaines de MHz.

IV.3.2. La Génération de l'Impulsion par Transistor à Avalanche.

Le phénomène d'avalanche dans un composant semi-conducteur bipolaire est un claquage dans la jonction qui provoque un accroissement très rapide du courant. Le courant qui traverse le composant peut atteindre plusieurs dizaines d'ampères en quelques nano-secondes. Si ce courant est limité en valeur et en durée (décharge d'un petit condensateur), le transistor résiste au choc thermique local, le phénomène s'arrête spontanément quand la tension devient trop faible. Au niveau de la jonction, la barrière se rétablit, et le transistor sort de cette expérience "sans lésion". Tous les transistors bipolaires présentent cette propriété de claquage réversible. Selon la géométrie et le dopage du semi-conducteur, on peut fournir des transistors spécialement optimisés pour cet usage avec un front de montée rapide avec un fort courant, une bonne résistance au choc thermique local, une excellente reproductibilité du phénomène et de ses conditions d'amorçage, même après un très grand nombre d'opérations (de l'ordre de 10⁺⁷ à 10⁺¹⁰ impulsions sans défaillance). Ce mode marginal d'utilisation des jonctions de diodes et de transistors a été étudié dans les années 1960-70 pour fabriquer des déclencheurs miniaturisés: démarrage de tubes électroluminescents, démarrage de Laser à Gaz, démarrage de réactions chimiques violentes, etc. On trouvera la description des montages et applications typiques dans l'article original de D.J.Hamilton et al.(1962). La fiabilisation de ce mode de fonctionnement est bien décrite dans l'article plus récent de W.B.Herden (1976).

Pour un transistor donné à une température donnée, si le transistor est bloqué et que la tension émetteur collecteur dépasse un seuil, alors l'avalanche peut s'amorcer spontanément au bout d'un délai aléatoire d'autant plus court que la tension est grande. On dit qu'il y a auto-avalanche. Si la tension émetteur collecteur Vce est inférieure à ce seuil d'auto-avalanche,

mais en est proche, alors, une courte impulsion (positive pour un transistor bipolaire de type NPN) sur la base va déclencher l'avalanche. La tension émetteur collecteur Vce doit se trouver à l'intérieur d'une marge, et l'impulsion de base doit avoir une énergie qui dépend de la tension Vce. Ce mode permet de commander à volonté l'avalanche, et donc de la synchroniser.

La firme anglaise ZETEX, continue à être très active dans ce secteur particulier. Nous avons caractérisé le prototype de Prism avec un transistor ZETEX de référence: ZTX415. Nous avons pu obtenir directement du bureau d'étude anglais les informations complémentaires pour évaluer son utilisation dans le contexte d'une mission spatiale martienne. On lira dans l' Annexe 4 des informations complémentaires concernant l'adaptation de ce transistor à notre expérience.

IV.3.3. La Génération de l'Impulsion par Transistor à Effet de Champ

Bien qu'ayant maîtrisé le fonctionnement en avalanche du transistor ZTX415, nous avons cherché à utiliser, dans le cadre de l'extension Recherches et Développement de notre programme, des composants modernes au fonctionnement plus souple. Les caractéristiques des transistors à effet de champ à grille isolée ont fait de gros progrès ces dernières années dans les applications industrielles de commutation. Ces transistors passent très vite d'un état parfaitement bloqué à un comportement de faible résistance. Leur fonctionnement est le même pour des tensions Source Drain de quelques volts à quelques centaines de volts. Leur pilotage en commutation est fort simple. Il suffit de faire passer la grille ("Gate") de zéro volt (état bloqué du transistor) à une tension de quelques volts (faible résistance). Une fois les charges absorbées, le maintien de la commande ne nécessite aucun courant. La largeur des impulsions sur le Drain est facile à contrôler par la commande sur la grille. Ces composants semblent donc bien appropriés à nos besoins. Toutefois, la plupart de ces transistors, par leur géométrie, présente une sensibilité importante aux radiations. La société américaine INTERNATIONAL RECTIFIER, propose actuellement de nouvelles versions durcies pour certaines références.

IV.3.4.Les Transistors de commutation à Effet de Champ de la firme SUPERTEX

Parmi les composants disponibles en version militaire, notre choix s'est porté vers la gamme "Vertical DMOS" de la firme américaine SUPERTEX, transistor semi-conducteur à grille

isolée par un oxyde métallique, et réalisé en structure verticale par double diffusion (Supertex Inc., 1993). Certains transistors fonctionnent jusqu'à 600 volts et sont directement pilotables à partir d'une porte logique de technologie CMOS 5volts à faible consommation. Le seuil de commande de la grille reste inférieur à 3 volts pour toute la gamme de température. Dans un montage réel, on mesure, pour les petits transistors les plus rapides, des temps de montée et descente compris entre 5 et 10 ns. Nous n'avons pas besoin de transitions plus rapides pour générer une impulsion vers 10 à 20 MHz, ces temps sont donc tout à fait compatibles avec Prism. Les courants admis en impulsion courte par ces composants rapides sont de l'ordre de l'ampère, ils sont beaucoup plus faibles que les courants d'avalanche, mais ils sont aussi compatibles avec nos besoins (Un courant d'un demi ampère suffit pour l'impulsion de 200 volts sur une antenne 400 ohms). La firme SUPERTEX propose aussi des transistors quasi-complémentaires pour les deux polarités. On peut alors envisager des montages de transistors pour commuter des suite d'impulsions de polarités opposées et de durées réglables ( utiles pour générer un pseudo monocycle HF, voir notre chapitre III). On trouvera à l'Annexe IV.2 les principales caractéristiques du transistor Supertex VN0120N2 utilisé pour le module NMF.