Technologies de transistors faible bruit en bande L

Les architectures actuelles deLNAfonctionnant en bande L (1-2 GHz) reposent sur différentes

technologies de semi-conducteurs.

2.2.1.1 Structure MESFET

Le transistor MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) est un concept de

transistor à effet de champ (FET (Field Effect Transistor)) introduit dans les années 1970. Sa

structure schématisée est présentée en figure2.6.

Couche substrat (non dopée) Contact

Grille Drain

Source

Couche active (ou Schottky)

��� ^Contact

FIGURE 2.6 – Structure du transistor MESFET, la zone de charge d’espace de la jonction Schottky est

indiquée en hachures.

Le principe de fonctionnement de cette structure est celui d’une structure classique de transistor à effet de champ. C’est-à-dire qu’un canal conducteur est créé par l’application d’une différence de potentiel entre drain et source. La grille, placée au dessus du canal, forme une jonction, et donc une zone de charge d’espace (ou zone dépeuplée) avec le matériau

de la zone dépeuplée dépend de la différence de potentiel appliquée à la grille, et module la

largeur du canal, et donc la conductivité du transistor. L’amélioration apportée par leMESFETest

l’utilisation d’une jonction métal-semiconducteur (ou jonction Schottky) au niveau de la grille. La rapidité de la jonction Schottky permet d’accéder à des fréquences de fonctionnement plus élevées, en faisant ainsi, à l’époque de son introduction, le choix privilégié pour la conception de circuits radio-fréquence. Une telle structure est de nos jours obsolète d’un point de vue industriel, et n’est plus utilisée pour les nouvelles réalisations. Cependant, cette structure reste à l’origine des modèles physiques de simulation utilisés pour les conceptions utilisant des structures plus évoluées, et présentées dans les paragraphes suivants, car le fonctionnement électrique de ces structures reste comparable à l’échelle du modèle de composant.

2.2.1.2 HEMT et pHEMT GaAs et GaN

La structureHEMT, aussi désignée parTEGFET (Two Electron Gas Field Effect Transistor)ou

MODFET (Modulation Doped Field Effect Transistor), qui a été introduite en 1980 [75,76], est aujourd’hui la plus déployée dans les applications radio-fréquence, et a remplacé les structures

MESFET. En effet, les performances de cette structure sont supérieures [77]. En particulier, il peut délivrer une puissance maximale supérieure à fréquence et volume égaux et a une meilleure

performance en amplification faible bruit. Enfin, les structuresHEMTont permis d’outrepasser

les verrous technologiques imposés par leMESFET[78].

Substrat

Buffer (grand gap non dopé) Canal (petit gap non dopé) Espaceur (grand gap non dopé) Donneuse (grand gap,dopé) Schottky (grand gap)

Grille

Drain Source

Contact

2DEG (2-dimensionnal electron gas)

Contact

FIGURE2.7 – Structure du HEMT

Le fonctionnement du transistor HEMT, dont une vue schématique est présentée en figure

2.7 est basé sur une hétérojonction formée entre un matériau à grandgap, formant la couche

"espaceur" de la figure 2.7, et un matériau à petit gap, formant la couche canal. Cette

créer une zone d’accumulation de porteurs à l’interface des deux matériaux. Cette accumulation de porteurs est assimilée à un "gaz" d’électrons bidimensionnel, qui remplit la fonction du canal du transistor. Les avantages du HEMT sont ainsi principalement liés à la grande mobilité électronique des porteurs présents dans le nuage à l’hétérojonction.

Typiquement, lesHEMTpour application en bande L sont réalisés à partir d’un substrat en

GaAs, sur lequel sont déposées les différentes couches, celles à grand gap étant réalisées en AlGaAs.

Ce transistor existe sous la forme dite pseudomorphique, alors appelé p-HEMT

(pseudomorphic High Electron Mobility Transistor). Le pHEMT [79, 80] est unHEMT dont les

couches "canal" et "espaceur" de la figure2.7 sont séparées par une couche supplémentaire,

relativement fine (de l’ordre de 100 Å) par rapport aux autres couches (de l’ordre de 100 nm à 1 µm). Cette couche supplémentaire est réalisée en un matériau dont les propriétés électroniques permettent d’augmenter les performances du transistor. Cependant, l’insertion de cette couche

induit une discontinuité géométrique dans le composant. En reprenant l’exemple duGaAs, cette

couche est réalisée en InGaAs et est amenée à être en contact avec soit duGaAs, soit de l’AlGaAs.

Leparamètre de maillede l’InGaAs étant différent de celui des deux autres matériaux, une telle structure devrait aboutir à un désaccord de mailles. Cependant, la finesse de la couche déposée

permet à celle-ci de se déformer afin de se lier aux couches GaAs et AlGaAs [81,82].

Récemment, les HEMT en filièreGaN (Nitrure de Gallium)ont connu un développement et

un intérêt croissants. Les études portent notamment sur la réalisation d’amplificateurs de puissance plus efficaces et de densité de puissance plus élevée. Cette technologie est pour l’instant limitée par la maîtrise des effets de pièges qui font l’objet d’un grand nombre d’études

[83–87]. La réalisation d’amplificateurs faible bruit enGaN est cependant intéressante pour le

domaine des étudesMFP. En effet, la tension de claquage plus élevée de ce matériau permet de

réaliser des composants plus robustes aux agressions électromagnétiques [88–90].

2.2.1.3 Technologies Silicium

Une autre filière permettant de réaliser des amplificateurs faible bruit est l’ensemble des technologies à base de silicium. Celles-ci comprennent de manière non exhaustive les structures

bipolaires réalisées surSiGe (silicium germanium), et les technologies CMOS, BiCMOS, LD-MOS,

HBT qui ne seront pas détaillées ici. Ces technologies sont utilisées en particulier pour lesLNA

intégrés sur circuits mixtes (où les fonctions radio-fréquence sont réalisées sur le même substrat que les fonctions numériques). L’inconvénient réside dans le fait qu’à composants équivalents,

unLNAsur silicium aura un facteur de bruit plus élevé et moins de gain maximal qu’un circuit

réalisé dans l’une des technologies présentées ci-dessus.

pHEMT GaAs, présenté au paragraphe suivant.