Chapitre 3

Tables des matières
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CHAPITRE III : APPLICATIONS HYPERFREQUENCE ET OPTOELECTRONIQUE DES
TRANSISTORS A TRANSFERT ELECTRONIQUE A CATHODE BIPOLAIRE..................................142
1. INTRODUCTION....................................................................................................................................143
2. GENERALITES SUR LES TRANSISTORS A TRANSFERT ELECTRONIQUE..........................143
2.1. GENERATION DE PUISSANCE PAR COMPOSANT A TRANSFERT ELECTRONIQUE....................................143
2.1.1. Principe de base...........................................................................................................................143
2.1.2. INFLUENCE DE LA DYNAMIQUE ELECTRONIQUE NON STATIONNAIRE.........................144
2.2. DESCRIPTION DES TRANSISTORS A TRANSFERT ELECTRONIQUE.........................................................146
2.2.1. Principe de fonctionnement et intérêt potentiel...........................................................................146
2.2.2. Les familles des transistors à transfert électronique....................................................................148
2.3. TRANSISTORS A TRANSFERT ELECTRONIQUE A CATHODE DE TYPE FET.............................................148
2.3.1. Description générale de la structure............................................................................................148
2.3.2. Rappel des études théoriques et expérimentales effectuées au laboratoire .................................149
3. TRANSISTORS A TRANSFERT ELECTRONIQUE A CATHODE BIPOLAIRE BICTED.........150
3.1. DESCRIPTION GENERALE DE LA STRUCTURE......................................................................................150
3.2. MODELE UTILISE ...............................................................................................................................151
3.3. SIMULATION EN REGIME PUREMENT SINUSOÏDAL..............................................................................152
3.4. OPTIMISATION D’UNE STRUCTURE GAAS A 62.5 GHZ .......................................................................153
3.5. ETUDE DU MODE DE FONCTIONNEMENT ET DEFINITION DES PERFORMANCES ....................................154
3.6. SIMULATION EN REGIME D’OSCILLATIONS LIBRES.............................................................................157
4. PHOTOTRANSISTORS A TRANSFERT ELECTRONIQUE A HETEROJONCTION A
CATHODE BIPOLAIRE PHEBICTED .........................................................................................................159
4.1. MODELE UTILISE ...............................................................................................................................159
4.2. STRUCTURE DU TRANSISTOR .............................................................................................................160
4.3. GENERATION DE PUISSANCE A 160 GHZ............................................................................................161
4.3.1. Structures simulées ......................................................................................................................161
4.3.2. Mode de fonctionnement hyperfréquence ....................................................................................161
4.3.3. Comparaison des performances à 160 GHz ................................................................................163
4.4. AUTO-TRANSPOSEUR DE FREQUENCE,LIAISON EMETTRICE OPTIQUE/MILLIMETRIQUE......................165
4.4.1. Eclairement du transistor PHeBICTED.......................................................................................165
4.4.2. Circuit simulé...............................................................................................................................165
4.4.3. Analyse des résultats....................................................................................................................166
5. CONCLUSION.........................................................................................................................................169
BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE III.................................................................................................................170

Chapitre III : Applications hyperfréquences et optoélectroniques
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Chapitre III : Applications hyperfréquences et optoélectroniques
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1. Introduction
Dans le premier chapitre, nous avons présenté la structure générale du simulateur
électrique et les méthodes spécifiques de résolution relatives aux équations de circuit et les
améliorations que nous avons apporté au simulateur qui portent sur sa convivialité et sur
l’efficacité des temps d’exploitation.
Dans le même ordre d’idée, nous avons examiné dans le chapitre 2 de nouvelles
techniques relatives à la résolution numérique des systèmes d’équations des modèles
physiques des composants semiconducteurs.
Nous nous proposons, dans ce troisième chapitre, de décrire un exemple d’application
de notre outil de modélisation. Il concerne les circuits à base de transistors à transfert
électronique à cathode bipolaire.
2. Généralités sur les transistors à transfert électronique
2.1. Génération de puissance par composant à transfert
électronique
2.1.1. Principe de base
L’effet de transfert électronique,à l’origine du fonctionnement des diodes à transfert
électronique, est une propriété intrinsèque de certains matériaux semiconducteurs.
Cet effet apparaît dans des matériaux tels que l’arséniure de gallium ou le phosphure
d’indium , qui ont une structure de bande dite à plusieurs vallées, c'est-à-dire présentant
plusieurs minimums dans leur bande de conduction.
Dans la vallée centrale, les électrons ont une
masse effective faible, et donc une mobilité
élevée. En vallées hautes ou latérales par contre
les électrons sont lourds, et leur mobilité s'en
trouve extrêmement réduite.
(Eg est le gap énergétique intervallées).
Figure III. 1 : Allure de la bande de
conduction dans le GaAs.

Chapitre III : Applications hyperfréquences et optoélectroniques
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Lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique, les électrons acquièrent, en se déplaçant
dans ce dernier, de l’énergie cinétique. Lorsque cette énergie est suffisante, c'est-à-dire en
moyenne égale à la valeur du gap énergétique intervallées, les électrons transfèrent en vallée
supérieure. Leur vitesse moyenne de dérive dans le champ électrique décroît alors.
Ce phénomène de transfert électronique intervallées conduit par conséquent à une
caractéristique statique v(E) ayant l'allure suivante (figure III.2) :
Nous y voyons apparaître une
zone où existe une mobilité
différentielle négative.
En effet, si nous polarisons un
barreau de semiconducteur dans cette
zone, et que nous superposons à cette
polarisation un signal hyperfréquence
sinusoïdal, nous constatons que le
courant de conduction en résultant (qui
est directement proportionnel à la
vitesse de dérive des porteurs) présente
un déphasage de par rapport au champ
électrique.
C'est ce phénomène physique qui
permet d'obtenir un composant à
résistance négative. Nous allons
maintenant analyser plus en détail ce fonctionnement, et plus particulièrement en gamme
millimétrique.
2.1.2. INFLUENCE DE LA DYNAMIQUE ELECTRONIQUE NON
STATIONNAIRE
La description très simplifiée que nous venons de faire, permet de décrire
qualitativement les phénomènes, notamment en régime dit stationnaire, c'est-à-dire lorsque
l'on admet que les variations de l'énergie peuvent suivre instantanément les variations du
champ électrique.
Dans ce cas en effet, la vitesse moyenne de dérive des porteurs, qui est dans le cas
général une fonction du champ électrique E et de l'énergie moyenne des porteurs , peut être
Figure III.2 : Polarisation en zone à
mobilité différentielle négative.

Chapitre III : Applications hyperfréquences et optoélectroniques
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considérée comme une fonction du seul champ électrique et prend l'allure de la courbe
suivante (figure III.3):
Il s'agit de la caractéristique v(E) classique
et généralement connue sous le vocable de
caractéristique statique stationnaire. C'est cette
caractéristique qui est à la base de la plupart des
études des dispositifs à transfert électronique en
gamme centimétrique.
Mais le mécanisme de transfert électronique
intervallées n'est pas instantané. Si le champ
électrique présente des variations spatiales très
brutales ou des variations temporelles très
rapides, l'énergie ne peut suivre instantanément
les variations du champ électrique.
La dynamique des porteurs dans ces phases transitoires a donc un caractère non
stationnaire. Ceci impose de considérer la vitesse de dérive des porteurs comme une fonction
à la fois du champ électrique local et de l'énergie locale : v = v(E, ).
Illustrons cet effet en considérant le cas simple d'un barreau semiconducteur supposé de
longueur infinie et soumis à un champ électrique sinusoïdal et spatialement uniforme.
Lorsque la fréquence augmente, la caractéristique v(E) prend successivement l'allure des
courbes suivantes (figure III.4) :
Figure III.4 : Influence des effets de relaxation de l’énergie liés aux gradients
temporels.
Figure III.3 : Caractéristique
statique stationnaire classique
dans un matériaux III-V.