MESFET - MMIC
Propriétés de l'Arséniure de Gallium
L'Arséniure de Gallium GaAs ( on dit souvent , improprement, AsGa,) est un semi conducteur dans lequel les électrons ont une
mobilité beaucoup plus grande que dans le Silicium (voir
ci-dessous ) cela entraîne que, pour une même quantité de dopant, la
résistivité du GaAs est environ 15 fois plus faible que celle du
Silicium. D'autre part, l'énergie nécessaire pour créer une paire
électron-trou est de 1,43 eV au lieu de 1,1 pour le
Silicium d'où une plus grande résistivité, intrinsèque.
Ces caractéristiques confèrent au GaAs des
propriétés qui vont permettre de réaliser des transistors très rapides,
utilisés dans les amplificateurs haute fréquence et dans les circuits
logiques rapides.
La conductibilité
électrique est donnée par la formule: σ = n.q.μ
dans laquelle : La
littérature actuelle se limite à un rapport de 9
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si
l' Arséniure de Gallium présente des avantages par la grande mobilité de
ses électrons, il n'en est pas de même pour la mobilité de ses trous qui
sont du même ordre que dans le silicium. Il en résulte que pour réaliser
une paire de transistors l'un N l'autre P il faudra, si nous voulons
leur donner des caractéristiques voisines réaliser un P de dimensions
beaucoup plus importantes que le N. Il est impossible de réaliser
l'équivalent d'une porte CMOS qui associe deux MOS l'un N l'autre P deux
autres facteurs sont également importants :
- le GaAs n'a pas la
propriété , comme le silicium, de s'oxyder en formant un oxyde isolant
comme le SiO2
- Le prix. Les composants
du Ga As , le Gallium qui est un corps que l'on ne trouve pas à l'état
naturel, il n'y a pas de mine de Gallium , on le trouve associé au
charbon, à la bauxite etc.. et l'Arsenic est un corps très toxique qui
doit être manipulé avec précautions .
En 2010 la consommation mondiale de Gallium a été de 160Tonnes.
Le Gallium a une température de fusion de 29,76 ºC et l'Arsenic se
sublime (passage directe de l'état solide à l'état gazeux sans passer
par l'état liquide) à 615ºC. Le monocristal d''Arséniure de
Gallium est obtenu par croissance sur un germe de l'Arsenic et du
Gallium à l'état gazeux. Sa température de fusion est de 1240 ºC
Le monocristal d'Arséniure de Gallium est plus fragile que celui du
Silicium, aussi si l'on peut obtenir des tranches (wafer) de silicium de
300mm de diamètre alors qu' en GaAs il faut se contenter de 150mm pour
un coût 10 fois supérieur. Ceci a, bien entendu, une
répercussion sur le prix des composants.
Les MESFETs (MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor)
Apparus en 1966, ils
ont démontrés leurs qualités l'année suivante.
Ils sont cependant difficile à fabriquer , la grille métallique est
placée directement sur le GaAs créant ainsi une jonction schottky et
sont fragiles en température, surchauffe du composant lui est fatal,
soudage très délicat, sensible à l'électricité statique .
Les transistors MESFETs sont fabriqués maintenant de façon courante, on
trouve des composants pouvant travailler à des fréquences voisines de 24
GHz et semble-t-il jusqu'à 100GHz
Au milieu des années 80, les MESFETs ne sont pas encore fabriqués en grande série à en juger par la décision de Seymour Gray de fabriquer le Cray 2 à l'aide de transistors au silicium poussés à leur maximum (244 MHz) ce n'est que pour le Cray 3 en 1988 qu'il utilisera les MESFET mais il ne verra jamais le jour faute d'argent.
Les circuits intégrés GaAs: MMIC (Monolithique Microwave Integrated Circuit)
Les circuits intégrés MMIC ont d'abord été conçus pour les circuits analogiques, ils peuvent fonctionner dans la gamme de 300 MHz à 300 GHz. Ils sont particulièrement intéressants dans la mesure où , à ces fréquences, le câblage est particulièrement délicat, l'emploi de circuits intégrés garantit une répétitivité difficile à obtenir avec des assemblages de composants discrets.
Apparus au début des
années 80 pour les circuits analogiques on trouve des articles
techniques sur des convertisseurs de fréquence (2 à 26 GHz) en 1988. Les circuits digitaux sont
apparus un peu plus tard . Cependant il n'a pas été possible de réaliser
l'équivalent des portes CMOS du fait de la piètre mobilité des trous
dans le GaAs. La grande différence de mobilité des électrons et des
trous imposerait des transistors dont les dimensions seraient trop
dissemblables. A la fin des années 80 , les MMIC ont le vent en poupe il
vont atteindre leur plein essor dans les années 97/98 avec les nouveaux
appareils de communication:
TV par câble
Modem
Téléphones mobiles
Wifi
Radar automobiles etc....
Pour prendre un exemple, la société Triquint a été crée en 1985 pour se consacrer à l'arséniure de gallium elle est filiale de Tektronix . En 1991 , Gazelle circuit, Gigabit logic et triquint ont fusionné sous le nom Triquint , en 2002 elle absorbe Infineon GaAs puis en 2005 TFR technologies etc...et le 2 janvier 2015 fusionne avec la société QRVO et prend le nom de Qorvo
Son chiffre d'affaires qui peut donner une idée de l'évolution du marché du GaAs :
1995 | 46 M$ |
1997 | 100 M$ |
1999 | 160 M$ |
2000 | 300 M$ |
Les produits sur le marché sont très divers , sur le plan des circuits logiques on trouve chez Keysight des diviseurs par 2 (HMMC-31xx) , par 4 (HMMC-3124) , par 8 (HMMC-3108) ils sont utilisables de 0,2 à 26GHz, s'alimentent en 5V( de 4,5 à 6,5V) et le seuil logique se situe à Vcc -1,5 à 1,2V
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