Brevet FR2680048A1 — publié le 19930205

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A LARGE BANDE PASSANTE EN HYPERFREQUENCES La présente invention concerne l'amélioration des performances d'un transistor à effet de champ dans le domaine des hyperfréquences. L'invention concerne également le transistor lui-même, dont le dessin de la grille est modifié pour s'adapter au perfectionnement. Il est connu que, pour tous les transistors, les performances dynamiques se dégradent lorsque la fréquence d'utilisation augmente. En particulier, le gain d'un transistor décroît pendant que la fréquence croît, et son produit gain-bande également, ce qui signifie que la largeur de sa bande passante diminue, dans le domaine compris entre la fréquence de coupure et la fréquence de transition, à laquelle le transistor ne fonctionne plus. Pour augmenter le gain d'un transistor à effet de champ monogrille, on multiplie le nombre de grilles élémentaires courtes, montées en peigne et commandées par un même signal. En effet, surtout en hyperfréquences, avec des grilles submicroniques, les conditions de propagation d'un signal le long d'une grille font que le gain est plus important avec une grille courte, parce que le gain se dégrade moins. Mais un transistor à grille en peigne a une géométrie compliquée, faisant alterner les régions de source, grille et drain, qui est d'autant plus délicate à mettre en oeuvre quten hyperfréquences les dimensions sont très petites. Avec un transistor bigrille, il est connu de monter une résistance, en charge, sur la deuxième grille, pour améliorer le gain et la bande d'utilisation en hyperfréquences. Mais cette résistance est connectée sur la même extrémité de métallisation de grille que celle sur laquelle est appliquée la polarisation de cette deuxième grille. La seconde extrémité de cette grille n'est réunie à rien, de telle sorte que, du point de vue géométrique, le dessin d'une telle grille est classique: c?est un trait, très fin, avec un seul plot métallique à une seule extrémité. Pour ces transistors perfectionnés par rapport à un simple transistor, les courbes des differentes caractéristiques que l'on peut mesurer subissent seulement une translation en direction des hautes fréquences, mais elles conservent le même profil. Au contraire, I'invention propose un circuit de grille qui améliore encore les performances d'un transistor vers les hautes fréquences, mais qui modifie son fonctionnement au point que les courbes des caractéristiques ont plus du tout le même profil que celles de l'art connu. Ce résultat a été obtenu après étude des conditions de propagation d'un signal le long d'une grille longue, mais à un seul doigt - par opposition à une grille en peigne à doigts courts -. La détermination des éléments d'un schéma équivalent du transistor, dans lequel on prend en compte la nature distribuée de la structure et l'influence des composants connectés aux extrémités de la métallisation de grille, a amené à brancher une self à l'extrémité de l'électrode de grille qui est opposée à l'extrémité sur laquelle sont appliqués la polarisation et le signal de commande. L'impédance ainsi constituée est par ailleurs mise à la masse à travers une capacité de découplage. De façon plus précise, l'invention concerne un transistor à effet de champ, possédant au moins une électrode de grille à une première extrémité de laquelle est connecté au moins un circuit de polarisation de grille, ce transistor étant caractérisé en ce que, en vue d'accroître son gain et sa bande passante aux hautes fréquences, une impédance est connectée à la seconde extrémité de l'électrode de grille. L'invention concerne également un transistor à effet de champ, ayant au moins une grille, dont la géométrie est modifiée par le fait qu'à chacune de ses extrémités est connecté un circuit : signal et polarisation à une extrémité et impédance à l'autre extrémité, ce qui se traduit par la présence d'au moins deux plots ou pistes conductrices. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit maintenant, en liaison avec les figures en annexe qui représentent - figure I : schéma électrique d'un transistor selon I'invention, - figure 2 : schéma équivalent distribué en quadrupôle, - figures 3 et 4 courbes de gain en fonction de la fréquence, pour 2 transistors selon l'invention, - figures 5 à 7 : courbes donnant tes paramètres en S d'un transistor selon l'invention, - figures 8 à 11 : courbes d'évotution de la puissance de sortie en fonction de- la puissance d'entrée pour un transistor selon l'invention. Pour les figures 3 à 11, à chacune des courbes de valeurs mesurées est comparée la courbe, en pointillés, des valeurs correspondantes d'un transistor qui n'est pas muni du perfectionnement de l'invention. La structure monogrille,est actuellement la plus courante cependant, l'invention sera exposée en s'appuyant sur l'exemple d'un transistor bigrille car l'expérience a montré que les améliorations apportées par le perfectionnement de l'invention sont encore plus intéressantes pour les bigrilles que pour les mono grilles. L'intérêt de cette seconde commande de grille est de procurer un vaste champ d'applications très variées telles que amplificateurs à contrôle de gain et de puissance, mélangeurs et coupleurs actifs. De plus, le bigrille étant l'équivalent par nature d'un montage cascode, offre également par rapport au monogrille l'avantage d'avoir un gain plus élevé en régime petit signal assorti d'une bonne montée en fréquence. Par ailleurs, dans tout l'exposé de l'invention, le terme "longueur" de la grille a la signification de longueur géométrique de l'électrode de grille par opposition à la longueur électrique, mesurée dans la direction drain-source, qui n'intervient pas dans ce texte. La figure 1 représente le schéma électrique d'un transistor à effet de champ, bigrille, dont les performances en hautes fréquences sont améliorées par le procédé selon l'invention. Le transistor lui-même est vu en plan du côté de ses métallisations d'électrodes. Il comporte une source 1, qui le plus fréquemment est mise à la masse, et un drain 2 : entre ces deux métallisations sont disposées deux grilles 3 et 4, dans le sens de la longueur des métallisations de source et drain. Le drain 2 est polarisé par une source Vd, symbolisée par un générateur et une self, et il débite à travers une charge 5, précédée si nécessaire d'un adaptateur de sortie 6. La première grille 3, située du côté de la source - où l'unique grille s'il s'agit d'un transistor monogrille - reçoit par une extrémité une tension de polarisation Vgls et un signal électrique, hyperfréquence, fourni par un générateur 7, à travers une charge 8 et, si nécessaire, un adaptateur d'entrée 9. L'interconnexion signal/polarisation/grille se fait en un point représenté par exemple'sous forme d'un plot 10. De la même façon, la deuxième griLle 4 - s'il y en a une est polarisée par une tension Vg2s, appliqllée sur une première extrémité. C'est cette polarisation continue qui permet de commander par exemple le contrôle du gain du transistor, ou son impédance grille-drain. Il a été dit que le transistor concerné par l'invention est préférentiellement un transistor ayant 11110 ou plusieurs grilles longilignes, plutôt que de petites grilles montées en peigne, parce que le dessin convient mieux à la réalisation en micronique ou sub-micronique. Mais dans ces conditions, le transport d'un signal jusqu'au bout d'une grille "longue" subit un amortissement, qui limite le gain et la bande d'utilisation vers les hautes fréquences. Le procédé de l'invention consiste à favoriser le transfert des signaux électriques le long d'au moins une grille en connectant une impédance terminale sur l'extrémité de la grille opposée à l'extrémité sur laquelle sont appliqués la tension de polarisation Vgs et le signal hyperfréquence. Parmi toutes les configurations étudiées, la plus intéressante consiste à connecter une impédance selfique ZL en bout de grille. Nous référant de nouveau à la figure 1, il apparaît que la première grille 3, qui se présente comme un trait, de largeur micronique, est connectée sur sa deuxième extrémité à un plot 11 et à une impédance selfique 12. De la même façon, la deuxième grille 4 est connectée sur sa deuxième extrémité à un plot 14 et à une impédance selfique 15. La géométrie du transistor est modifiée puisqu'une grille selon l'invention se trouve être un élément de ligne entre deux circuits raccordés, sur les plots 10 et 11, ou 13 et 14, tandis que dans l'art connu une grille a une extremité libre, Les plots de raccordements 10-14 sont représentés pour mettre en évidence le fait qu'une grille s'intègre à l'intérieur d'un circuit. En fait, ils peuvent être supprimés selon la technologie utilisée, par exemple en circuit intégré. La figure 2 représenté la modélisation d'une structure bigrille distribuée. Par rapport à vine modélisation de transistor bigrille considéré comme résultant de l'association selon un montage cas code à deux monogrilles, elle permet la détermination des valeurs des éléments qlli constituent le schéma distribué. Le transistor est considéré comme llne cascode de cellules élémentaires dont le développement de grille est pris suffisamment petit devant le développement total pour que chaque cellule puisse être considérée comme un bigrille élémentaire. Les électrodes de grilles sont prises en compte et modélisées à l'aide de résistances et inductance réparties Lg1, Lg2, Rg1, Rg2. Les impédances terminales variables connectées respectivement sur l'une des extrémités de la grille 3 et de la grille 4 sont symbolisées par ZL1 ET ZL2. Ce type de schéma équivalent distribué retenu pour modéliser la structure bigrille permet non seulement de rendre compte de l'effet distribué de la structure, mais aussi d'analyser finement, à partir des courants et tensions le long des différentes électrodes, le comportement interne du transistor en tout point du circuit. La figure 3 montre l'évolution du gain maximum disponible en fonction de la fréquence, pour un transistor de 400 im de longueur de grille, polarisé à Vgls = 0V, Vg2s = 2 V, Vds = 4 V, et avec ZL1 = ZL2 + lnH. La courbe en pointillé correspond à un transistor classique, c'est-à-dire le même transistor mais sans les selfs 12 et 15 : circuit griUe ouvert. L'accroissement des performances du transistor en gain en puissance disponible apparaît particulièrement intéressant. Le gain du transistor est supérieur à celui obtenu dans le cas d'une utilisation classique à partir de 6 GITz d'environ 1 à 8 dB ce qui est considérable compte tenu du développement de grille (400 ,ut). Des résultats similaires ont été obtenus pour la structure de 700 lun ainsi que le montre la figure 4 : dans ce cas, les selfs ZLî et ZL2 valent chacune 0,G nH. On voit donc que la valeur de l'impédance terminale de grille permet d'avoir davantage de gain dans une bande étroite, ou moins de gain mais régulièrement dans une bande large. Les figures 5, 6 et 7 montrent l'évolution des paramètres en S d'un transistor bigrille de 400 Ftm de développement de grille. Les paramètres en S sont les paramètres de répartition d'un dispositif semiconducteur auquel on injecte un signal sur une porte, les autres portes étant toutes fermées par une même impédance, généralement 50 ohms. Ce transistor étant polarisé dans les mêmes conditions que précédemment, la présence dtimpédances terminales se traduit par une quasi adaptation en entrée, une amélioration du S21 vers les hautes fréquences, et par un accroissement de la bande d'utilisation. Par ailleurs, les applications en puissance de telles structures ont été analysées : les figures 8 à 11 montrent que l'amélioration du gain, constatée en petit signal, se retrouve dans le cas de puissances plus importantes, dans la bande de fréquence d'utilisation du transistor (6-14 GHz). La connection d'impédances terminales sur les deux grilles d'un transistor bigrille permet d'améliorer la puissance de sortie et le gain, par conséquent le rendement en puissance ajoutée. L'ensemble de ces résultats de mesures montre bien qu'une structure de transistor à effet de champ monogrille ou bigrille, offre des performances supérieures lorsqu'une self est connectée à l'extrémité de la grille, opposée à ltextrémité sur laquelle est connectée le polarisation. REVENDICATIONS 1. Transistor à effet de champ. possédant au moins une électrode de grille (3) à une première extrémité de laquelle est connecté au moins un circuit de polarisation de grille, ce transistor étant caractérisé en ce que, en vue d'accroître son gain et sa bande passante aux hautes fréquences, une impédance (12) est connectée à la seconde extrémité de l'électrode de grille (3). 2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impédance (12) est une impédance selfique. 3. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la métallisation de grille (3) est comprise entre un premier circuit de polarisation et de signal (7 à 10) et un second circuit selfique (12) auquel elle est réunie par une métallisation (11). 4. Transistor selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il fonctionne dans le domaine des hyperfréquences (0-18 GHz).