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COMPOSANTS ACTIF
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VIII COMPOSANTS ACTIFS :
Les composants actifs à état solide principalement utilisés dans le domaine des microondes sont
les diodes PN, schottky et IMPATT, les transistors à effet de champ, MESFET et HEMT et les
transistors bipolaires, à homojonction et hétérojonction. Ces composants sont réalisés dans diverses
technologies de semiconducteurs leur apportant des performances propres en terme de fréquences
de coupure et de puissance. La structure de base de ces composants est une jonction formée de
matériaux identiques mais dopés différemment (homojonction) ou de matériaux différents
(hétérojonction et jonction métal-semiconducteur).
Nous allons voir, dans ce chapitre, les différentes technologies existantes, les technologies
émergentes et les différences de fonctionnement et de performances des différents composants.
1. TECHNOLOGIES
Les composants actifs sont la base de la réalisation des circuits actifs qui constituent les systèmes
d’émission-réception. Leurs performances en fréquence, puissance et bruit sont indéniables d’un
fonctionnement correct du système complet. Leurs linéarité ou non-linéarité est utilisée pour des
aspects d’amplification ou de génération de signaux.
Les premiers composants actifs ont été fabriqués sur du germanium, ce dernier a très vite été
détrôné par le silicium qui a connu un développement fulgurant à partir des années 1970, tant en
termes de performances que d’intégration. On connaît aujourd’hui l’apport incontesté par ce
développement, notamment dans la vie courante.
Il n’en reste pas moins que le silicium souffre de deux inconvénients majeurs devant d’autres
semiconducteurs, une mobilité faible des porteurs et un semiconducteur non semi isolant, rendant la
conception de composants et de circuits intégrés plus délicate à des fréquences très élevées.
Le tableau I donne les principaux paramètres physiques et électriques des semiconducteurs
utilisés pour la réalisation de composants rapides. Le Si, GaAs et InP sont ceux qui sont le plus
utilisés car ils ont donné naissance à des technologies industrielles. Les deux derniers, le GaN et le
SiC, font partie du domaine de la recherche et sont prometteurs quand à leurs propriétés optiques et
thermiques qui en font de bons candidats pour l’électronique de puissance à très hautes fréquences.
à 300K Si Ge GaAs InP GaN 3C-SiC
εr 11.7 16.2 12.9 12.5 9.7 9.72
NC (cm-3) 3.2 1019 1.0 1019 4.7 1017 5.7 1017 1.2 1018 1.5 1019
NV (cm-3) 1.8 1019 5.0 1018 9.0 1018 1.1 1019 4.2 1019 1.2 1019
eχ (eV) 4.01 4.00 4.07 4.38 4.1
Eg (eV) 1.12 0.66 1.424 1.344 3.2 2.36
ni (cm-3) 1.0 1010 2.0 1013 2.1 106 1.3 107
μn(cm/V.s) 1400 3900 8500 5400 1000 900
μp(cm/V.s) 450 1900 400 200 350 20
Constante de maille (Å) 5.431 5.658 5.65325 5.8687 4.52 4.3596
Tableau I : paramètres physiques et électriques de semiconducteurs
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Figure 1 : Evolution de l’énergie de bande interdite et du paramètre cristallin pour différents
matériaux.
InP
E (kV.cm-1)
vsat (107cm.s-1)
0510 15 20
1
2
3
Figure 2 : Vitesse de dérive électronique dans différents semiconducteurs non dopés à 300K.
Sur la figure 2, on constate que la vitesse de saturation des électrons est bien plus élevée dans les
composés III-V que dans le silicium, permettant ainsi aux composants actifs de développer des
performances fréquentielles plus élevées.
2. DIODES
Il existe diverses diodes utilisées dans le domaine des microondes. Ces diodes sont utilisées pour
la détection, le mélange ou la génération de signaux en fonction de leur technologie. Elles sont
également la base des transistors.
2.1 Diodes PN :
La diode PN seule, fabriquée à base d’un seul semiconducteur, est très peu utilisée dans le
domaine des microondes car elle ne permet pas de fonctionner à des fréquences très élevées au delà
du millimétrique, notamment sur Silicium, pour lesquelles les transistors n’offrent plus de gain. En

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revanche elle est à la base du transistor bipolaire et de diodes plus spécifiques du domaine des
hyperfréquences :
- diode à avalanche : utilisée pour la génération directe et harmonique, la multiplication de
signaux.
- diode varactor : utilisée pour la commande
- diode PIN : utilisée pour la commutation et la détection de signaux
La fréquence de coupure de la jonction PN est influencée par la capacité de diffusion :
()
d
d
C
dV0
jd d
V
1
foùr
I
2.r.C V C =
∂
⎞
==
⎟
∂
π+
⎡⎤
⎠
⎣⎦
La diode PN fabriquée à base de deux semiconducteurs différents, qui présentent un accord de
maille (figure 1), présente l’avantage de créer un puit de potentiel au niveau de la bande de
conduction ou de valence, et ce grâce à la différence de bande interdite des semiconducteurs, afin
d’améliorer l’efficacité d’injection des porteurs dans le composant.
2.2 Diodes Schottky :
La diode schottky est composée d’un conducteur placé sur un semiconducteur selon une barrière
métal-semiconducteur. Elle est réalisée sur Si (métal Al), GaAs (métal Au) et SiC. La différence
fondamentale avec la diode PN est que le fonctionnement s’appuie sur les porteurs majoritaires,
alors qu’il s’appuie sur les porteurs minoritaires dans le cas de la PN.
La diode Schottky peut fonctionner jusqu’à la fréquence de coupure qui est égale à :
()
d
d
C
d
jd V0
V
1
foùr
I
2.r.C V
=
∂
⎞
==
⎟
∂
π
⎠
L’absence de capacité de diffusion, ou capacité dynamique de la jonction qui fait intervenir la
durée de vie des porteurs, entraîne une fréquence de coupure bien plus élevée que pour la jonction
PN avec des fréquences pouvant atteindre 200 à plus de 300 GHz.
Elle est principalement utilisée en détection, mélange et limitation de puissance particulièrement
en bande sub-millimétrique.
2.3 Diodes à transfert électronique ou diode GUNN :
C’est une structure N+NN+ réalisée sur du GaAs ou de l’InP. Elle est utilisée en tant que
générateur direct ou harmonique et en multiplication. Cette génération de signaux est réalisée grâce
à la caractéristique de résistance dynamique négative qu’elle présente pour certaine polarisation
(figure 3).
Figure 3 : Caractéristique d’une diode à effet tunnel.
I
V
Pic
Vallée
Zone de résistance
négative
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Trois types de diode permettent d’obtenir ce type de caractéristique : les diodes à effet Tunnel,
les diodes IMPATT et les diodes Gunn.
2.4 Schéma équivalent :
Le schéma équivalent d’une diode est représenté sur la figure 4. La caractéristique non linéaire
du fonctionnement de la diode est donnée par la relation entre la tension et le courant :
d
q.V
.k.T
dS
IIe 1
η
⎛
⎞
=−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
IS est le courant de saturation de la diode qui dépend de la technologie utilisée ainsi que des
dimensions du composant.
Figure 4 : Schéma équivalent non linéaire d’une diode.
3. TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP
Les transistors à effet de champ sont réalisés sur différents semiconducteurs mais les
technologies sont différentes selon la nature du matériau et donnent lieu à différentes structures du
transistor à effet de champ. Le transport des électrons se fait horizontalement (ou latéralement) dans
les structures à effet de champ, alors qu’il se fait verticalement dans les structures bipolaires.
Les performances fréquentielles des transistors sont caractérisées par la fréquence de transition
ft, qui correspond à un gain en courant (sortie en court-circuit) unitaire et la fréquence maximum
d’oscillation fmax, qui correspond à la fréquence pour laquelle le gain en puissance disponible
(MAG) est égal à l’unité.
3.1 MOSFET :
Ce transistor est le plus répandu dans les circuits intégrés basses fréquences, du fait de sa très
faible consommation et de sa forte densité d’intégration. Néanmoins, il n’est pas utilisé en
microondes à cause de ses faibles performances fréquencielles, bien que des fréquences de
transition de 240 GHz aient été obtenues avec une longueur de grille de 43 nm.
Il utilise une jonction Métal-Isolant-Semiconducteur (MISFET) mais comme le seul isolant qui
puisse être correctement déposé sur du silicium est de l’oxyde de silicium, on réalise donc un
MOSFET (Metal-Oxyde-Semiconductor Field Effect Transistor). La figure 5 représente une coupe
de ce composant.
Lorsque la grille est polarisée positive avec une tension suffisante, il apparaît une couche
d’inversion à l’interface isolant-semiconducteur que constitue la zone déplétée ou le canal. Ce canal
est constitué d’électrons alors que le substrat est dopé P. La quantité de charges négatives est
contrôlée par la grille. Lorsqu’une tension est appliquée entre la source et le drain, ces électrons
vont se déplacer sous l’effet du champ électrique, constituant ainsi un courant entre la source et le
drain.
L L
C
j
R
Id
C
RS
C

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Ces électrons se déplacent à une vitesse assez lente à cause principalement de 2 phénomènes
physiques : le transport s’effectue au niveau de l’interface oxyde-semiconducteur qui réduit leur
vitesse par rapport au silicium massif, vitesse qui est déjà plus lente dans le silicium que dans
d’autres semiconducteurs ternaires.
Ceci contribue à obtenir des fréquences de fonctionnement relativement faibles pour ces
composants. Pour augmenter ces fréquences, il faut que le temps de transit des électrons à travers le
canal soit très faible, pour diminuer ce dernier, il faut que les électrons parcourent un chemin le plus
court possible. Ceci est réalisé, en diminuant la longueur de grille, on obtient alors des
performances fréquentielles accrues (tableau II). Les limitations de ces composants se trouvent
également en un bruit élevé comparativement au transistor bipolaire.
Lg (µm) 0.18 0.13 0.092 0.063 0.043
Ft (GHz) 35 53 94 140 230
Épaisseur oxyde (nm) 6.2 4.45 3.12 2.2 1.8
Tableau II : performances de transistors CMOS en fonction de la longueur de grille.
Figure 5 : Transistor MOSFET : structure latérale.
Pour obtenir des composants de puissance, des structures verticales sont réalisées (figure 6), dans
lesquelles le drain se trouve sur la face opposée au substrat. Les fréquences de fonctionnement de ce
type de composant s’en trouvent fortement réduites puisque la zone de transit des électrons est
longue. Les LDMOS (Laterally Double Diffused MOS) et VDMOS (Vertically Double Diffused
MOS) sont également des composants de puissance qui ne fonctionnent guère au-delà de quelques
centaines de MHz.
Figure 6 : Transistor MOSFET : structure verticale.
Substrat P
N
Oxyde
Drain
Grille
Source
Zone déplétée
(a) à déplétion
Substrat P
N
Oxyde
Drain
Grille
Source
Zone déplétée
N
(b) enhancement
N+
Oxyde
Drain
Grille
Source
N+
Substrat N+
couche N-
P P
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Les fréquences de fonctionnement sont inhérentes au fonctionnement du transistor et sont donc
liées aux valeurs des éléments électriques de son schéma équivalent (figure 7).
Figure 7 : Schéma équivalent linéaire du transistor MOS.
()
mm
tmax
gd gd
gs gs s g ds m
gs gs
gg
ff
CC
2.C 1 2.C .2 R R g g
CC
==
⎛⎞
π+ π++
⎜⎟
⎝⎠
Enfin, pour la réalisation de circuits MMIC, l’inconvénient majeur des technologies MOS, est le
substrat dopé utilisé de faible résistivité qui entraîne des pertes élevées pour les composants passifs
qui résonnent à des fréquences faibles. Pour palier à ceci, des technologies SOI ont été développées
(Substrate On Insulator), dans lesquelles le transistor MOS est fabriqué sur un substrat semi-isolant
de Si (figure 8). Les éléments passifs sont alors de meilleure qualité.
Figure 8 : Technologie MOS - SOI.
3.2 MESFET (MEtal-Semiconducteur Field Effect Transistor):
C’est le transistor le plus utilisé dans les circuits MMIC, notamment dans les radiotéléphones, les
récepteurs de télévision par satellite et les badges de télépéage par exemple. Il est réalisé sur
substrat GaAs et utilise un contact schottky sur la grille (figure 9).
Une tension appliquée entre les drain et source fait circuler un courant d’électrons sous la grille
dans le canal, parallèlement à la surface du semiconducteur. La saturation de ce courant est due à la
saturation de la vitesse des électrons dans le matériau (figure 2). L’intensité du courant est contrôlée
par la profondeur de la zone déplétée qui apparaît sous la jonction métal-semiconducteur de la grille
(contact schottky) et qui est polarisée en inverse. Les performances fréquencielles de ces transistors
sont fonction de la longueur de grille (Lg) qui constitue le chemin parcouru par les électrons pour
atteindre le drain. En réduisant cette longueur de grille, on diminue le temps de transit et on
améliore les fréquences de coupure des composants. Ces longueurs, grâce aux avancées
technologiques, sont passées de 0.7 à 0.15 µm. La largeur de grille (ℓg), quand à elle, permet
R
g
C
g
d
Gds C
g
s
Rd
gm
Rs
Oxyde Oxyde
Drain
Grille
Source
N+ N
+ Si P+
Si haute résistivité > 1 kΩ.cm

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d’augmenter l’amplitude du courant et donc la puissance du composant, elle varie entre 50 et
200µm en général. Mais ceci ne permet pas d’obtenir des composants de forte puissance, il faut
alors avoir recours à des structures multi-doigts de grille.
Figure 9 : MESFET.
Le fonctionnement de ce transistor s’approche de celui du MOSFET, mais les performances
fréquentielles sont bien meilleures du fait de l’utilisation de GaAs. De plus, comme il est fabriqué
sur un substrat semi-isolant, la réalisation de circuits MMIC donne de très bons résultats.
mm
tmax
GS gs C DS
gg
ff
2.C 2.C .2 RG
==
ππ
(voir modèle figure 20)
3.3 HEMT (High Electron Mobility Transistor) :
Ce composant réalisé sur GaAs, InP et GaN utilise une hétérojonction (grille-source) pour
diminuer le temps de transit des électrons et augmenter les performances fréquentielles. Les
électrons circulent dans une zone non dopée dans laquelle ils acquièrent une vitesse plus rapide que
dans une zone dopée (figure 10).
L’hétérojonction GaAs/GaxAl1-xAs présente, de part et d’autre de l’interface, une différence de
bande interdite (gap), en effet Eg est plus grande dans le matériau GaAlAs que dans GaAs. La
répartition de la différence de gap entre les bandes de conduction (ΔEc) et bandes de valences (ΔEv)
dans les diagrammes d’énergie crée un puit de potentiel du côté GaAs non dopé. Le GaAlAs étant
dopé N, des électrons en provenance de la partie dopée s’accumulent dans le puits de potentiel qui
va constituer le canal du transistor (figure 11).
Figure 10 : HEMT.
Substrat GaAs semi-isolant
N Canal
Drain Grille Source Contact
N+ N+
Substrat GaAs semi-isolant
N
Ld
Lg Ls
N+ N+
Lgd Lgs
ℓg
Substrat GaAs semi-isolant
Canal GaAlAs dopé N
Drain
Grille
Source Contact N+
N+ N+
GaAs N+
GaAlAs non dopé
GaAs non dopé
Zone déplétée
d0
d1
Gaz d’électrons
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Figure 11 : Diagramme de bande d’un HEMT.
Sous l’effet de la tension appliquée entre drain et source, ces électrons vont se déplacer dans une
zone non dopée, et donc à grande vitesse. Ainsi, pour une longueur identique de grille, un transistor
HEMT aura des performances améliorées à celles d’un transistor MESFET. En contrepartie, comme
le puit de potentiel a une largeur très faible, le courant disponible est limité pour ce composant..
3.4 PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor) :
Afin d’augmenter la largeur du puits de potentiel et par là même le courant du composant, on
réalise une double hétérojonction en plaçant une couche GaInAs entre les couches GaAlAs et GaAs
(figures 12 et 13). Un second avantage d’utiliser une couche de GaInAs non dopée est de conférer
aux électrons une vitesse plus élevée encore que dans du GaAs. Cette couche de Ga0.85In0.15As n’a
pas la même dimension de maille que celle du GaAs, il y a contrainte compressive et pour éviter des
dislocations du matériau qui détérioreraient le composant, cette couche doit être très fine. C’est
cette couche qui est pseudomorphique et qui a donné le nom au composant.
Figure 12 : PHEMT.
Métal
GaAs non
do
p
é
GaAlAs
do
p
é N
Couche séparatrice
GaAlAs non dopé
Accumulation
d’électrons
GaAlAs GaAs
ΦB ΦF
EC
EF
ΔEC
ΔEV
Substrat GaAs semi-isolant
Canal GaAlAs dopé N
Drain
Grille
Source Contact N+
N+ N+
GaAs N+
GaInAs non dopé : canal
GaAs non dopé : tampon
Zone déplétée
Gaz d’électrons
GaAlAs non dopé

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Figure 13 : Diagramme de bande d’un PHEMT.
Ces composants sont également réalisés sur substrat InP et GaN, en utilisant une hétérostructure
GaInAs/InP et GaAlN/GaN respectivement. Les meilleures performances atteintes sont données par
les composants sur InP.
3.5 MHEMT (Metamorphic High Electron Mobility Transistor) :
Afin de diminuer la contrainte liée au désaccord de maille entre le GaAs et le GaInAs, on
introduit une couche buffer Ga1-x-yAlxInyAs entre le GaAs et le canal GaInAs. Cette couche buffer
correspond à la superposition de différentes couches d’épaisseurs et de dosage différentes, réalisant
ainsi une couche graduelle (figure 14). Cette couche permet d’accommoder le large désaccord de
maille entre le substrat GaAs et le canal GaInAs et d’éviter la propagation de dislocations du
matériau dans la zone active du transistor.
Cette technologie, utilisée également sur substrat InP, permet de réaliser des composants sur
GaAs ayant des performances comparables à ceux sur InP, en ayant un coût plus faible puisque les
avantages du GaAs sont conservées pour la réalisation de circuits. Ainsi ces composants sont
utilisés en bande millimétrique (Ft=290GHz, Fmax=340GHz pour Lg=70nm – IAF).
Figure 14 : Technologie IAF MHEMT.
Métal
GaAs non
do
p
é
GaAlAs
do
p
é N
Couche séparatrice
GaAlAs non dopé
Accumulation d’électrons
(GaInAs non dopé)
GaAlAs GaAs
ΦB ΦF
EC
EF
ΔEC
ΔEV
GaInAs
Substrat GaAs semi-isolant
GaAs 100nm
GaAlInAs : Buffer métamorphique
Ga0.48In0.52As 250nm
Ga0.47In0.53As 40nm Ga0.48In0.52As 5nm
Ga0.48In0.52As 15nm
Ga0.47In0.53As 5nm
Couche d’adaptation
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4. TRANSISTORS BIPOLAIRES
Ces composants utilisent la jonction PN et le transport des charges se fait verticalement.
4.1 Transistor bipolaire à homojonction BJT :
Le transistor bipolaire est constitué de deux jonctions PN (figures 15 et 16).
Figure 15 : Transistor bipolaire à homojonction.
La figure 16 montre le diagramme des bandes d’énergie du transistor à l’équilibre thermique : les
niveaux de fermi s’alignent. L’émetteur étant fortement dopé N, c’est un réservoir d’électrons.
Lorsque le transistor est polarisé correctement, à savoir la jonction B-E en direct et la jonction B-C
en inverse, les bandes de conduction entre l’émetteur et la base se rapprochent, permettant aux
électrons de passer aisément entre l’émetteur et la base. La base étant dopée P, ils la traversent
rapidement pour atteindre l’interface B-C. Cette jonction étant polarisée en inverse, les électrons
tombent rapidement dans le collecteur. Ainsi un courant d’électrons est créé entre l’émetteur et le
collecteur. Un courant inverse de trous circule en sens inverse, ce courant est beaucoup plus faible,
du fait que les collecteurs et émetteurs sont dopés N.
Figure 16 : Diagramme des bandes d’énergie et courants dans un transistor bipolaire.
Substrat GaAs semi-isolant
C B E
N
N++
Canal N+
Substrat P
P+ N SiO2 SiO2
C B E
N++ N++
N N P
électrons
trous
EC
EF
EG
eVCE
EV
eVBE
WC WB WE
Si Si Si