Brevet FR2328291A1 — publié le 19770513

La présente invention concerne les transistors à effet de champ, et plus précisément ceux qui sont destinés à fonctionner en hyperfréquences, c'est-à-dire aux fréquences couramment exprimées en gigahertz. On connais déjà des transistors à effet de champ qui conviennent aux hyperfréquences, mais des problèmes se posent lorsque ces transistors doivent traiter des quantités importantes d'énergie en hyperfréquences Les électrodes d1un transistor à effet de champ sont en général sous forme de bandes métalliques parallèles formant une-source, un drain et une ou plusieurs grilles placées -entre la source et le drain. On utilise des électrodes plus longues afin que la puissance puisse entre accrue si bien que le dispotif devient de plus en plus grand et qu'un courant plus intense peut circuler dans le dispositif, pour une m & e densité de courant.En hyperfréquences cependant, les dimensions du dispositif sont comparables à celles des longueurs d'onde utilisées Si bien que la puissance qui peut etre transmise ne peut pas être simplement augmentée par accroissement de la dimension du dispositif, d'autant plus que, comme la longueur d'onde dépend de la fréquence, les propriétés du dispositif dépendent aussi de la fréquence. L'invention concerne un transistor à effet de champ qui peut fonctionner en hyperfréquences et dans lequel certaines des électrodes au moins sont destinées à constituer des lignes de transmission. Lorsqu'un transistor à effet de champ selon l'invention doit dtre utilisé comme amplificateur, un signal d'entrée est appliqué à la grille et à la source à une extrémité et se propage vers l'autre extrémité, dans la ligne de transmission formée par la grille et la source. Le signal est prélevé entre la source et le drain à l'autre extrémité. Dans un transistor à effet de champ destiné à constituer un amplificateur, la ligne de transmission formée par la source et le drain doit avoir pratiquement la même vitesse de propagation que la ligne de transmission formée par la grille et la source. En outre, les lignes de transmission doivent avoir des terminaisons pratiquement non réfléchissantes. La grille peut autre formée en deux parties, une partie étroite de travail placée entre la source et le drain et destinée à donner l'effet réel de grille, et une partie d'alimentation placée de l'autre ctté de la source, par rapport à la grille de commande, et reliée électriquement à la partie active par plusieurs connexions réparties sur sa longueur.De cette manière, la grille dans son ensemble peut avoir une dimension comparable à celle de la source et du drain, cette caractéristique étant souhaitable afin que la ligne de transmission formée par la grille et la source puisse présenter une résistance relativement faible par unité de longueur et possède aussi des propriétés comparables à celles de la ligne de transmission formée par la source et le drain tout en possédant une partie active étroite permettant un rapprochement de la source et du drain et donnant l'avantage connu d'un temps réduit de transit des porteurs de charge, cette disposition étant particulièrement avantageuse lorsque la source et le drain forment une ligne de transmission. La modification ou le réglage des caractéristiques des lignes de transmission peut être obtenu par utilisation d'électrodes ayant des bras latéraux répartis périodiquement sur leur longueur, Si bien que la capacité par unité de longueur est accrue. L'espacement et la longueur des bras latéraux peuvent etre tels qu'ils assurent une dispersion le cas échéant. Un accroissement plus important de la capacité par unité de longueur des électrodes peut-#tre obtenu par prolongement des électrodes au-dessus d'une partie de semi-conducteur très dopé, mais sans contact ohmique avec cette partie. Les bras latéraux peuvent par exemple former une jonction à barrière de Schottky avec le semi-conducteur très dopé. Comme la largeur de la couche barrière et donc la capacité, dépendent de la tension entre les bras et le semi-conducteur très dopé, la capacité par unité de longueur et donc les caractéristiques de la ligne/transmissionformée par les électrodes, peuvent etre réglées à l'aide d'une tension réglable de polarisation. D'autres fonctions non conductrices de la jonction à barrière de Schottky conviennent,par exemple une jonction p-n ou une jonction métal-isolant-semiconducteur. Les caractéristiques de ligne de transmission dépendent aussi de la tension de polarisation entre la source et le drain, en partie à cause des changements de dimension de la région épuisée du semi-conducteur sur lequel est formé le transistor à effet de champ et qui modifient la capacité entre les électrodes, et en partie à cause d'une variation de la transconductance. L'effet de transconductance est particulièrement important lorsqu'il existe un couplage important entre les électrodes, car la transconductance modifie la vitesse d'atténuation des ondes qui se propagent dans le transistor à effet de champ, constituant alors en fait une ligne active de transmission.La sélection convenable de la transconductance permet la réduction à O du taux d'atténuation ou meme sa mise à une valeur négative si bien que l'ensemble forme un dispositif à retard à ligne de transmission ne présentant pas de perte et présentant mweme une amplification. Un transistor à effet de champ selon l'invention peut etre utilisé sous forme d'un dispositif non linéaire, par exemple d'un modulateur. Ainsi, deux signaux d'entrée peuvent être superposés au niveau de la grille. Il apparatt alors, étant donné la non-linéarité de la caractéristique du transistor, une composante du signal de sortie qui contient le produit des signaux d'entrée. Au contraire, on peut utiliser deux grilles séparées afin de former un transistor à effet de champ à tétrode et dans ce cas les signaux d'entrée peuvent etre transmis séparément aux deux électrodes de grille. Lorsque les vitesses de propagation des lignes de transmis: sion décrites sont différentes ou lorsque les signaux d'entrée sont appliqués afin qu'ils se propagent en sens opposés, soit dans un transistor du type tétrode, soit dans un transistor triode ayant une grille, il existe dans le signal de sortie une composante qui comprend une intégrale des deux signaux d'entrée. Le transistor à effet de champ selon l'invention peut être réalisé sur un substrat isolant avec un support conducteur, si bien que les électrodes forment des lignes de transmission à connecteur plat. D'autres caractéristiques et avantags de linven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 et 2 sont une coupe et une vue en plan respectivement de la structure dtun transistor connu à effet de champ - la figure 3 est une vue en plan des électrodes d'un transistor à effet de champ selon l'invention ~ - les figures 4 et 5 sont des coupes de deux modes de réalisation' de transistor du type représenté sur la figure 3; - la figure 6 est une vue en plan d'une variante de transistor à effet de champ selon l'invention - la figure 7 est une vue en plan d'une partie des électrodes d'un transistor à effet de champ du type tétrode selon l'invention ; et - la figure 8 est une coupe de la partie de transistor représenté sur la figure 7. Les figures 1 et 2 représentent une partie d'un transistor à effet de champ de type connu. La figure I est une coupe suivant la ligne I-I de la figure 2. Un patin de semi-conducteur 2, 3, 4 est placé sur un substrat isolant 1. Une électrode 5 de source recouvre une partie du substrat 1 ainsi qu'une partie 2 du semi-conducteur, en contact ohmique avec cette dernière. Une électrode 6 de drain recouvre de manière analogue une partie du substrat I et une partie 3 du semi-conducteur en étant en contact ohmique avec cette dernière. La source 5 et le drain 6 sont placés l'un près de l'autre mais ne se touchent pas et laissent une bande étroite 4 de semi-conducteur qui n'est pas couverte, entre eux. Une grille 7 est placée au milieu de la bande 4 et la recouvre, sans 8trie au contact de la source 5 et du drain 6. La grille 7 n'est pas en contact ohmique avec la bande 4 mais forme avec elle une jonction à barrière de Schottky. Le semi-conducteur a entièrement le même type de conductivité, de préférence le type n pour les applications en hyperfréquences, étant donné la grande mobilité des électrons par rapport à celle des trous. Les parties 2 et 3 placées sous la source et le drain 5 et 6 peuvent etre très dopées (de type n+) et forment des régions quasi-métalliques constituant des prolongements de la source et du drain 5 et 6, assurant un bon contact électrique avec la bande faiblement dopée 4 qui constitue la partie active du dispositif. Les électrodes 5, 6 et 7 ont des connexions électriques 8, 9 et 10 respectivement, reliées à un circuit externe non représenté. On connatt aussi d'autres types de transistors à effet de champ, différents de celui des figures 1 et 2, et l'invention stapplique à tout type pouvant fonctionner en hyperfréquences. Comme la bande 4 constitue la région active du dispositif, il est souhaitable qu'elle soit aussi longue que possible lorsque le transistor doit pouvoir transmettre une grande quantité d'énergie. Cependant, dans les applications en hyperfréquences, la bande 4 ne peut pas etre très longue sans que les dimensions uu dispositif deviennent comparables à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à la fréquence de travail, si bien qu'il peut alors apparattre des effets indésirables de résonance et que,# étant donné les différences de phases dans les #signaux des électrodes 5, 6 et 7 en différents points de la longueur de la bande 4, certaines parties de la bande peuvent donner une contribution au signal de sortie du dispositif, provoquant ltannulation au lieu de l'accroissement de la contribution des autres parties.Il existe ainsi une limite pratique à la longueur active d'un transistor classique à effet de champ utilisé en hyperfréquences. La figure 3 est une vue en plan d'un transistor à effet de champ selon l'invention. Dans cette vue en plan et dans les suivantes, le substrat 1 et la partie visible de la bande 4 sont supprimés par raison de clarté. La source 5 et le drain 6 sont sous forme de bandes allongées, et la grille a une partie étroite active 70 placée entre la source et le drain et une partie d'alimentation 7f qui a des dimensions analogues à celles de la source et du drain 5 et 6 et qui est reliée à la partie active 70 par des connexions transversales 7c. Chaque électrode 5, 6 et 7 a deux connexions 8a, 8b, 9a, 9b, 1osa, lOb, une à chaque extrémité, rejoignant un circuit extérieur non représenté. Dans le cas de la grille, les connexions 10a et 10b sont reliées à la partie 7s d'alimentation. La partie 7s d'alimentation et la source 5 forment une ligne de transmission à bandes parallèles. Lors de l'utilisation, un signal d'entrée peut parvenir entre les connexions 10a et 8a et une charge convenable d'adaptation est reliée entreles connexions lOb et 8b. Le signal d'entrée parcourt la ligne de transmission formée par la source 5 et la partie 7s de la grille à une vitesse prédéterminable V. Lorsque le signal d'entrée est S(t), le signal à une distance X le long du dispositif est égal à s(t - V) Lorsque l'amplification du dispositif par unité de longueur est égale à A, un élément de longueur ss#X à une distance de X le long du dispositif donne une contribution au signal de sortie qui est égale à A S (t - X & qui apparatt sous forme d'lm courant circulant entre la source 5 et le drain 6 à une distance X le long du dispositif. La source 5 et le drain 6 forment une ligne de transmission à bandes parallèles qui, dans le mode de réalisation considéré du dispositif, présent la m#me vitesse de propagation V. Une charge convenable d'adaptation est montée entre les connexions 8a et 9a et le signal de sortie du dispositif apparatt entre les connexions 8b et 9b. Chaque élément du dispositif a donc une contribution au signal de sortie qui est égale à As(t - X - (L-X)) #X = A S(t - L) #X V V V si bien que la contribution totale est égale à. A L S(t - L), V L représentant la longueur du dispositif. Le dispositif constitue donc ainsi un amplificateur et toute la longueur de la région active a une contribution convenable. Bien que la longueur L du dispositif puisse être- comparable et même supérieure à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques utilisées à la fréquence de travail, les effets des différences de phases entre différents points du dispositif sont rendus inoffensifs parce que le déphasage total subi par un élément du signal est le mweme partout le long du trajet suivi dans le dispositif. Le dispositif de la figure 3 peut aussi constituer un filtre car, lorsque les extrémités des lignes de transmission sont terminées délibérément par des charges non adaptées, des ondes stationnaires peuvent s'atablir dans le dispositif et l'amplification dépend alors de la fréquence. Les fréquences de résonance du dispositif peuvent varier par modification des charges de terminaison et la longueur L peut être choisie afin qu'elle convienne à une fréquence déterminée. Lorsque le dispositif ne doit étre utilisé que comme amplificateur, les charges adaptées de terminaison peuvent etre incorporées au dispositif lui-meme et les connexions lob et 9a peuvent etre supprimées. La figure 4 représente une partie du dispositif de la figure 3, en coupe suivant la ligne V-V, et elle indique que les connexions transversales 7c sont isolées par rapport à la source 5. Cette dernière a une couche isolante Il sur elle et les connexions 7c sont formées sur la couche 11. La figure 5 représente une variante. dans laquelle les connexions 7c sont formées dans des espaces laissés dans la source 5. Dans ce mode de réalisation, la source 5 et les connexions 7c sont directement formées sur la partie 2 du semi-conducteur, sous la source 5, mais,alors que la source 5 est en bon contact électrique avec la partie 2 du film conducteur, les connexions forment une jonction non conductrice à barrière de Schottky.Dans cette disposition, la partie 2 du semi-conducteur doit être très dopée (par exemple de type n+) afin qu'elle forme un prolongement de la source 5 dans les espaces. La figure 6 représente une variante du type fondamental du dispositif selon l'invention. Une électrode 12 comporte des bras latéraux 13 espacés régulièrement sur sa longueur. Lorsque les bras 13 sont très espacés, l'espacement des bras adjacents étant de lsordre de la moitié de la longueur d'onde ou plus, leur effet est de donner au dispositif un comportement qui dépend de la fréquence. Lorsque les bras sont rapprochés cependant, leur effet est simplement une augmentatio#n de la capacité par unité de longueur de lté- lectrode 12 donc une modification des propriétés de la ligne de transmission dont l'électrode 12 fait partie.La capacité introduite par les bras latéraux peut être accrue par formation d'une zone de matière semi-conductrice très dopée 14 recouverte en partie par les bras 13, mais sans contact ohmique avec ceux-ci. Par exemple, les bras 13 peuvent former des jonctions à barrière de Schottky avec le semi-conducteur 14. La modification de la tension de polarisation appliquée entre l'électrode 12 et le semi-conducteur 14 permet la variation de la largeur des couches épuisées dans les barrières de Schottky donc de la capacité. Cete variante convient à toute électrode 12 convenablement disposée. Les figures 7 et 8 représentent en plan et en coupe, un transistor à effet de champ du type tétrode, selon l'invention. Ce transistor comprend deux grilles ayant des parties actives étroites 710 et 720 placées l'une près de l'autre et parallèlement ltune à l'autre, entre la source 5 et le drain 6. Les grilles ont des parties d'alimentation 71s et 72s adjacentes à la source 5 et au drain 6 respectivement et reliées aux parties actives 710 et 720 par des connexions transversales 71c et 72c. On note sur la figure 8 qusun support conducteur 15 porte le substrat isolant 1 afin que les électrodes 5, 6, 71s et 72s forment avec le support conducteur 15 des lignes de transmission à conducteurs plats et non des lignes à bandes parallèles.Le dessin sous forme complexe est alors simplifié car il n'est plus nécessaire que les électrodes soient placées très près les unes des autres pour la formation des lignes de transmission à bandes parallèles. Le transistor tétrode selon l'invention peut etre utilisé sous forme d'un dispositif non linéaire, par exemple pour former les intégrales de signaux. Par exemple, on suppose qu'un signal s1 (t) est transmis à une grille 71s à l'extrémité gauche par exemple, et qu'un signal S2 (t) est transmis à 1'autre grille 72s à l'extrémité droite, le signal de sortie étant prélevé au niveau du drain 6 à ltextrémîté droite. On suppose en outre que les vitesses de propagation dans les grilles 71 et 72 et dans le drain 6 sont -respectivement V1, V2 et Vd.Lorsque le signal au point X de la grille 71 est et lorsque le signal au point X de la grille 72 est il existe une composante du signal de sortie qui représente le produit des signaux d'entrée étant donne la non-linéarité propre au dispositif. La contribution d-lun élément de longueur SX placé à la distance X à cette composante est qui apparatt à la sortie sous la forme si bien que la somme des contributions à la composante à la sortie est d1 et d2 représentant les retards fixes L et L(t e - ) respectivemen ayant les valeurs suivantes Les retards fixes d1 et d2 peuvent entre compensés par introduction d'un retard séparé et complémentaire à l'un des signaux d'entrée. Les facteurs k1 et k2 dépendent des vitesses de propagation V1, V2 't Vd dont les valeurs peuvent wetre fixées dansune certaine mesure par un dessin convenable des électrodes et par utilisation de la variante de la figure 6. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. Par exemple, des composants séparés peuvent être incorporés, notamment des diodes à capacité variable "Varactor", reliées pé riodiquement le long de lune quelconque des électrodes afin que les propriétés de propagation soient modifiées. En outre, deux signaux au moins peuvent être transmis à une grille, à la même extrémité ou aux extrémités opposées, si bien que le dispositif du type triode peut être utilisé sous forme d'un circuit mélangeur ou de corrélation, de la meme manière que le dispositif du type tétrode Les spécialistes peuvent noter que les dessins ne sont pas à l1echelle, les largeurs des parties actives des grilles et des- diverses régions étant évidemment exagérées pour des raisons de clarté. REVENDICATIONS 1. Transistor à effet de champ, du type qui comprend une source, un drain et au moins une grillez le transistor étant capable de fonctionner en hyperfréquences, et étant caractérisé en ce que certaines des électrodes au moins sont des lignes de transmission, 2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes destinées à fonctionner à la manière de lignes de transmission sont une grille qui comporte une partie active étroite placée entre la source et le drain et destinée à assurer l'effet réel de grille, et une partie d'alimentation de grille placée à ltextérieur de la source et du drain et reliée électriquement à la partie active par plusieurs connexions réparties sur sa longueur. 3. Transistor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie active de grille est adjacente à la source et forme avec elle une ligne de transmission à bandes parallèles, la source et le drain formant ensemble une ligne de transmission à bandes parallèles. 4. Transistor selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est formé sur un substrat isolant ayant un support conducteur si bien que les lignes de transmission sont des lignes de transmission à conducteur plat, 5. Transistor selon ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vitesses de propagation dans les lignes de transmission sont égales. 6. Transistor selon ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ltune au moins des électrodes formant une ligne de transmission comporte des bras latéraux régulièrement répartis sur sa longueur. 7. Transistor selon la revendication 6, caractérisé en ce que les bras latéraux sont placés au-dessus d'une partie de semi-conducteur très dopé, mais sans entre en contact ohmique avec cette partie. 8. Circuit amplificateur en hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comprend un transistor à effet de champ se lon la revendication 5, monté afin que les signaux des lignes de transmission se propagent dans le meme sens. 9. Circuit modulateur d'hyperfréquences1 caractérisé en ce qu'il comprend un transistor à effet de champ selon la revendication 5, destiné à constituer un modulateur. 10. Circuit dtintégration en hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comprend un transistor à effet de champ selon l'une quelconque des revendications~1 à 7, monté afin qu'il constitue un dispositif d'intégration.