Brevet FR2137161A1 — publié le 19721229

:i,' i concerne les atténuateurs miniaturisés du type à constantes localisées (cellules en T et en @), dans le domaine des hyperfréquences, notamment pour les lignes de transmission en ondes centrimétriques réalisées dans la technique "microbande" dite plus couramment microstrip selon la terminologie anglo-saxonne. Pour que les résistances composant l'attéruateur puissent entre considérées comme localisées, leurs dimensions doivent Btre d'un ordre de grandeur voisin du vingtième de la longueur d'onde. Elles doivent donc entre millimétriques pour des lignes de transmission en ondes centinétriques. Or, on sait réaliser des pavés résistifs en matériau semiconducteur présentant ces dimensions. Un inconvénient de cette solution provient de la complexité des opérations d'ajustage et de montage de chaque résistance individuelle. On connaît par ailleurs des atténuateurs constitués par une petite plaquette d'alumine sur laquelle on a déposé par sérigraphie les trois résistances d'une cellule en T ou enTC De tels atténuateurs présentent l'inconvénient d'être difficiles à fabriquer en série de façon reproductible. L'atténuateur selon l'invention est.. constitué par un seul bloc de matériau semiconducteur dopé dans 1 1 on a délimité par des métallisations des trajets de conductivité prédéterminée gracie à des r.4tallisations portées par es bloc, lesdits trajets formant ensemble une cellule en T ou en #. 11 invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit et des dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 est un schéma d'atténuateur classique constitué par une cellule en T; - la figure 2 est une coupe longitudinale, suivant un plan perpendiculaire à une grande face d'un atténuateur monolithique selon une première réalisation de l'invention - la figure3 est un schéma électrique équivalent de l'atténuateur de la figure 2;; - la figure 4 est une coupe d'une ligne microstrip munie d'un dispositif selon l'invention comportant l'atténuateur de la figure 2 - la figure 5 représente, en perspective, un atténuateur conforme au premier mode de réalisation de l'invention, suivant une variante de ce premier mode - les figures 6 et sont respectivement le schéma équivalent et la coupe d1 un atténuateur conforme à l'invention? dans le cas d'une.cellule en - la figure8 est une vue en perspective d'un atténuateur conforme à un deuxième mode de réalisation del'invention;; - les fi figureses 9 et 10 sont des vues en plan de deux variantes de ce deuxième mode de réalisation - les figures 11 et 12 sont des vues en plan et en élévation d'un mode de raccordement de l'atténuateur de la figure 9 La cellule en T symétrique, représentée figure1, comporte deux bras supérieurs AI et IB constitués par des résistances égales R1, un bras IM constitué par une résistance R2 et un conducteur de masse MM, Suivant l'invention, une plaquette Si de matériau semiconducteur dopé,d'épaisseur h, petite par rapport à sa largeur, par exemple de l'ordre du millimètre, et à sa longueur, par exemple de l'ordre de plusieurs millimètres, est recouverte de quatre métallisations (figure 2) - U, V et V sur une de ses grandes faces - T sur toute la surface de la face opposée. Les métallisations U et W sont situées aux extrémités de la plaquette Si. La métallisation V est située au milieu de l';nter- valle UW. Le matériau semiconducteur est par exemple du silicium dopé de façon à présenter une résistivité r, par exemple de l'ordre de 10 à 100 ohms-cm. On a représenté, figure 2, les trajets moyens des porteurs de charge entre les différentes métallisations dans le corps du métériau semiconducteur, soit AJ, MI et BK pour les couples de métallisations UT, VT et WT. Les résistances équivalentes sont représentées figure 3, soit - R1 pour chacun des trajets AJ et BK; - R2 pour le trajet 141 - R3 pour des trajets plus longs allant de M à Â et à B. La résistance R3 est beaucoup plus grande que R1 ou R2, notamment pour une plaquette d'épaisseur h = 0,2 mm et une longueur de quelques millimètres. La conductivité sur les trajets MA et MB peut donc tre négligée et lton retrouve sensiblement figure 3 le schéma d'une cellule' en T (figure 1). A titre d'ordre de grandeur d'une réalisation, une plaquette de silicium de résistivité r = 15 à 20 ohms-cm, pourvue de métallisations U, V, W do 1 mm x 1 mm, présentera des résistances pour h = 0,2 mm : R1 = R2 = 30 à 40 ohms L'affaiblissement d'un atténuateur ainsi constitué est d'environ 10 décibels. On romarque toutefois, dans ce mode de réalisation d'un atténuatour en T, que les résistances R1 et R2 sont pratiquement égales, ce qui limite la gamme de valeurs d'atténuation. Sans doute, on peut agir dans une certaine mesure sur la largeur des métallisations, par exemple on diminuant la surface des contacts U et W et en augmentant celle du'contact V pour obtenir R1 > R2 ; mais le rapport R1/R2 peut varier seulement de 2 à 3, On sera obligé pour obtenir des différences plusimportantes de recourir à l'un des modes de réalisation décrits ci-après. L'insertion de l'atténuateur sur une ligne microstrip s'opère en interrompant la bande conductrice, par exemple par grattage, attaque chimique localisée ou abrasion au jet de sable, entre les portions 11 et 21 (figure 4) tandis que le plan de masse 12 est seulement percé d'un trou foré dans 1' épaisseur du substrat 1 de la ligne microstrip. Par ce trouon introduit le téton d'un embase 3 que l'on soude en V, le téton ayant été préalablement doré, la pri 31 se dc masse est réalisée par soudure/de l'embase 3 sur le plan de masse 12. Les métallisations U ct W sont soudées sur la ligne microstrip. Selon une variante de l'invention, l'atténuateur de la figure 5, comporte des languettes 51 (soudée à U), 52 (soudée à W), 41 et 42 (soudées à V) lesquelles débordent l'atténuateur pour faciliter les soudures. En ce cas, deux embases 3 sont placées dans deux trous forés dans le substrat 1 qu'elles traversent par leurs tétons de tclle sorte que ces derniers puissent être soudés aux languettes 41 et 42, aux points V1 et V2 (figure 5). Un atténuateur réalisé .de cette façon présente l'avantage de pouvoir entre livré déjà muni d'une résine protégeant 73.plaquette de silicium et les ooudures des languettes sur celui-ci. Seules les extrémités des languettes débordant le bloc doivent Btre dénudées. La réalisation d'une cellule en1 figure 6 permet d'obtenir une résistance R1 plus grande que R2 en utilisant la structure représentée figure 7. La plaquette de silicium dopé est usinée de façon à présenter un amincissement 70 dans sa partie médiane. Quatre r114tal- lisations 71 à 74 sont disposées aux extrémités de la plaquette de façon à réaliser les 3 branches de la cellule en1r, à savoir - branche CN (R2) entre les métallisations 71 et 73 - branche D (2 R1) entre les métallisations 71 et 72 - branche DN (R2) entre les métallisations 72 et 74 L'insertion de la cellule en # se fait d'une nanière légèrement différente en raison de l'obligation de raccorder des métallisations portées par deux faces opposées du bloc.En ce cas, llutilisation de languettes sera pratiquement obligatoire. Suivant un deuxième procédé, permettant la réalisation de cellules en T et en7F, on intègre les résistances dans une plaquette de silicium faiblement dopée, par exemple P (donc de forte résis tivité ) dans laquelle on inscrit, entre les métallisations U et W figure 8, par diffusion, un chemin conducteur fortement dopé n, suivant un parallélépipède de dimensions (à titre d'exemple) L = 0,5 mm 1 = 0,025 mm h = 0,004 mm Le dopage du parallélépipède, pratiqué à travers un masque obtenu par photolithogravure,est assez élevé (de l'ordre de189 atomes par cm3 d'impuretés n) pour que la résistivité soit de l'ordre de r = 10 3 ohms-cm Dans ces conditions, il n'est pas nécessaire de polariser en inverse la jonction pn pour éviter les pertes de courant en dehors du parallé6pipède à faible résistivité. En effet la résistivité de la zone p sera par exemple 106 fois plus grande que celle de la zone XL. Un avantage du fort dopage résulte du faible coefficient de température du semiconducteur ainsi enrichi en porteurs de charge. Toutefois, cet avantage est contrebalancé par la nécessité de réaliser une longueur L assez grande pour quo la résistance de la zone n entre ses deux extrémités soit assez élevée,ce qui nécessitera parfois une inscription de la zone n suivant une grecque (figures 9 et 10). Sur la figure 9,on voit la réalisation d'une cellule en T. En effet, le bras UI de la résistance R1 éq7Uvaut au bras AI de la figure 1. lie mEme,le bras 1W équivaut au bras IB. Les deux bras IV1 et IV2 mis en parallèle équivalent au bras IM si leurs résistances sont égales à 2R2. Sur la figure 10, on voit la réalisation d'une cellule en . Le bras CD vaut 2 F somme à la figure 6. Les bras C-731 et C-732 mis en parallèle équivalent au bras 'M si leurs résistances sont égales à 2 R2. De mme pour D-741 et D-742. Sur les figures 11 et 12, on voit comment, dans le cas d'un atténuateur 31, du type en T, on a raccordé les entrées et sorties des résistances par des rubans conducteurs aux métallisations respectives de deux tronçons 1 et 2 de ligne microstrip. Les rubans 121 et 122 sont soudés par thermocompression rcspectivement aux métallisations supérieures 11 et 12 et les rubans 111 et 112 sont soudés par thermocompression à un culot de nasse 30, lui mdme soudé aux métallisations inférieures 12 et 22 des tronçons 1 et 2. Dans les divers modes de réalisation décrits et représentés, on observe que la fabrication de nombreux atténuateurs identiques peut entre menée de front, à partir d'une rondelle de matériau semiconducteur sur laquelle on intégrera les métallisations délimitant les trajets des résistances. On séparer ensuite ces différents composants par découpage de la rondelle. Une telle méthode permet d'ob ternir des lots homogènes de plusieurs dizaines,voire centaines,d'atténuateurs. Outre la facilité de fabrication en série de l'atténuateur, on relève en faveur de ce type de réalisation selon l'invention, les avantages suivants, surtout pour le 2ème preedié - un faible coefficient de température, - une miniaturisation de l'atténuateur, - une bonne dissipation.thermique, en particulier si l'on soude le plan de masse sur une embase en métal bon conducteur. Les exemples décrits et représentés ne sont pas limitatifs. En particulier, on peut réaliser un atténuateur sur une plaquette de silicium dopé N avec diffusion d'un chemin conducteur fortement dopé p ou mdme n, pourvu, dans ce dernier cas que la concentration des impuretés n soit très élevée. L'invention est applicable non seulement aux atténuateurs proprements dits, mais également aux charges dissipatives comportant un atténuateur et une résistance de terminaison. REVENlilOATIONS 1.Atténuateur à résistances localisées destine à être inséré entre deux lignes "microstrip" fonctionnant en ondes centimétriques, des lignes comportant, sur deux faces opposées d'un support isolant, respectivement une bande conductrice et un plan de masse, caracté r,sé en ce qu'il est constitué par un bloc en matériau semiconducteur dopé, muni de métallisations délimitant entre elles des trajets résistifs pour les porteurs de charges, ces trajets formant ensemble une cellule d'atténuation du type en T ou cn 2. Atténuateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'unie cellule en T est formée par trois trajets résistifs délimités par trois métallisations distinctes et par une métallisation commune aux trois trajets, ladite métallisation n'étant raccordée à aucune des lignes "microstrip". 3. Atténuateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux desdits trajets constituent deux jambes d'une cellule en chaque jambe s'insérant en dérivation à l'extrémité de l'une des lignes microstrip, les liaisons entre les deux jambes ayant lieu d'une part sur le trajet résistif reliant les bandes conductrices des lignes et d autre part sur une connexion reliant les plans de masse. 4. Atténuateur selon la revendication 2, earactérisé en ce que ledit bloc est approximativement un parallélépipède présentant une première et une deuxième grande face, la première face étant entièment métallisée, trois autres métallisations se trouvant réparties sur la deuxième grande face. 5. Atténuateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit bloc comporte quatre métallisations situées aux deux extrémités opposées de deux faces opposées d'un parallélépipède évidé de façon à présenter une section pluo faible dans un plan de coupe perpendiculaire auxdites faces opposées et à deux segments de droite réunissant deux à deux les métallisations situées sur une mdme face. 6. Atténuateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc comporte une portion approximativement parallélepipèdique et relativement épaisse, dopée selon un premier type de conductivité, dans laquelle est formée, sous la surface d' une grande face et à une profondeur relativement faible par rapport à 11 épaisseur, au moins deux zones dopées selon un type de conductivité opposé audit premier type, s'étendant le long d'un trajet relativement long par rapport à une grande arête dudit parallélépipède, lesdites métallisations étant situées aux extrémités des dites zones sur ladite grande face. 7. Atténuateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que une première et une deuxième zone, affectant la forme d'une grecque se recoupent en croix en formant ainsi un double T dans lequel la barre du T est commune aux deux T considérés séparément, les métallisations des extrémités de la barre étant connectées respectivement aux deux bandes conductrices et les métallisations éloignées de l & barre étant connectées au plan de masse. 8. Atténuateur selon la revendicaiiai;csractérisé en ce qu'une première et une deuxième zone sont parallèles entre elles et qu'unie troisième zone, ne comportant pas de métallisation d'extrémité recoupe lcs précédentes en formant un "H", deux extrémités voisines des jambes parallèles du "H" étant connectées respectivement aux deux bandes conductrices et les deux extrémités opposées étant connectées au plan de masse.