CIRCUITS à Semi-conducteur GaAs

 

 

Les MESFET - MMIC

 

Propriétés de l'Arséniure de Gallium

 

          L'Arséniure de Gallium GaAs ( on dit souvent , improprement, AsGa,) est un semi conducteur dans lequel les électrons ont une mobilité beaucoup plus grande que dans le Silicium (voir ci-dessous ) cela entraîne que, pour une même quantité de dopant, la résistivité du GaAs est environ 15 fois plus faible que celle du Silicium. D'autre part, l'énergie nécessaire pour créer une paire électron-trou  est de 1,43 eV au lieu de 1,1 pour le Silicium d'où une plus grande résistivité, intrinsèque.

Ces caractéristiques confèrent au GaAs des propriétés qui vont permettre de réaliser des transistors très rapides, utilisés dans les amplificateurs haute fréquence et dans les circuits logiques rapides.

 

La conductibilité électrique est donnée par la formule: σ = n.q.μ   dans laquelle :
           n est le nombre de porteurs de charge par unité de volume
          q la charge électrique de chacun d'eux
 et      μ la mobilité des porteurs   que l'on peut décomposer en deux éléments: 
           est la faculté d'accélération (soumise à une tension E, la force qui s'exerce sur une particule ionisée de charge q est F=q.E et l'accélération de la particule soumise à cette force est      cependant m n'est pas exactement la masse de la particule mais sa masse effective qui dépend de l'interaction

 des différents champs dans la matière.

          Par exemple, dans le silicium la masse effective de l'électron est 0,97 fois la masse réelle alors que dans le GaAs celle-ci est 0,068 fois la masse réelle d'où une mobilité près de 15 fois supérieure.

    La littérature actuelle se limite à un rapport de 9

 si l' Arséniure de Gallium présente des avantages par la grande mobilité de ses électrons, il n'en est pas de même pour la mobilité de ses trous qui sont du même ordre que dans le silicium. Il en résulte que pour réaliser une paire de transistors l'un N l'autre P il faudra, si nous voulons leur donner des caractéristiques voisines réaliser un P de dimensions beaucoup plus importantes que le N. Il est impossible de réaliser l'équivalent d'une porte CMOS qui associe deux MOS l'un N l'autre P deux autres facteurs sont également importants :
          - le GaAs n'a pas la propriété , comme le silicium, de s'oxyder en formant un oxyde isolant comme le SiO2
          - Le prix. Les composants du Ga As , le Gallium qui est un corps que l'on ne trouve pas à l'état naturel, il n'y a pas de mine de Gallium , on le trouve associé au charbon, à la bauxite etc.. et l'Arsenic est un corps très toxique qui doit être manipulé avec précautions .
En 2010 la consommation mondiale de Gallium a été de 160Tonnes.
Le Gallium a une température de fusion de 29,76 ºC et l'Arsenic se sublime (passage directe de l'état solide à l'état gazeux sans passer par l'état liquide) à 615ºC.  Le monocristal d''Arséniure de Gallium est obtenu par croissance sur un germe de l'Arsenic et du Gallium à l'état gazeux. Sa température de fusion est de 1240 ºC
Le monocristal d'Arséniure de Gallium est plus fragile que celui du Silicium, aussi si l'on peut obtenir des tranches (wafer) de silicium de 300mm de diamètre alors qu' en GaAs il faut se contenter de 150mm pour un coût 10 fois supérieur.  Ceci a, bien entendu,  une répercussion sur le prix des composants.

Les MESFETs  (MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor)

Apparus en 1966, ils ont démontrés leurs qualités l'année suivante.
Ils sont cependant difficile à fabriquer , la grille métallique est placée directement sur le GaAs créant ainsi une jonction schottky et sont fragiles en température, surchauffe du composant lui est fatal, soudage très délicat, sensible à l'électricité statique .

Les transistors MESFETs sont fabriqués maintenant de façon courante, on trouve des composants pouvant travailler à des fréquences voisines de 24 GHz et semble-t-il jusqu'à 100GHz

Au milieu des années 80, les MESFETs ne sont pas encore fabriqués en grande série à en juger par la décision de Seymour Gray de fabriquer le Cray 2 à l'aide de transistors au silicium poussés à leur maximum  (244 MHz) ce n'est que pour le Cray 3 en 1988 qu'il utilisera les MESFET mais il ne verra jamais le jour faute d'argent.

Les circuits intégrés GaAs: MMIC (Monolithique Microwave Integrated Circuit)

Les circuits intégrés MMIC ont d'abord été conçus pour les circuits analogiques, ils peuvent fonctionner dans la gamme de 300 MHz à 300 GHz. Ils sont particulièrement intéressants dans la mesure où , à ces fréquences, le câblage est particulièrement délicat, l'emploi de circuits intégrés garantit une répétitivité difficile à obtenir avec des assemblages de composants discrets.

Apparus au début des années 80 pour les circuits analogiques on trouve des articles techniques sur des convertisseurs de fréquence (2 à 26 GHz) en 1988. Les circuits digitaux sont apparus un peu plus tard . Cependant il n'a pas été possible de réaliser l'équivalent des portes CMOS du fait de la piètre mobilité des trous dans le GaAs. La grande différence de mobilité des électrons et des trous imposerait des transistors dont les dimensions seraient trop dissemblables. A la fin des années 80 , les MMIC ont le vent en poupe il vont atteindre leur plein essor dans les années 97/98 avec les nouveaux appareils de communication:
                            TV par câble
                            Modem
                            Téléphones mobiles
                            Wifi
                            Radar automobiles etc....

Pour prendre un exemple, la société Triquint a été crée en 1985 pour se consacrer à l'arséniure de gallium elle est filiale de Tektronix . En 1991 , Gazelle circuit, Gigabit logic et triquint ont fusionné sous le nom Triquint , en 2002 elle absorbe Infineon GaAs puis en 2005 TFR technologies etc...et le 2 janvier 2015 fusionne avec la société QRVO et prend le nom de Qorvo

Son chiffre d'affaires qui peut donner une idée de l'évolution du marché du GaAs :

1995 46 M$
1997 100 M$
1999 160 M$
2000 300 M$

 Les produits sur le marché sont très divers , sur le plan des circuits logiques on trouve chez Keysight des diviseurs par 2 (HMMC-31xx) , par 4 (HMMC-3124) , par 8 (HMMC-3108) ils sont utilisables de 0,2 à 26GHz, s'alimentent en 5V( de 4,5 à 6,5V) et le seuil logique se situe à Vcc -1,5 à 1,2V

http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/fet-field-effect-transistor/gaasfet-mesfet-basics.php

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 COMPOSANTS à Semi-conducteur GaAs

MESFET - MMIC

 

 Propriétés de l'Arséniure de Gallium

 

          L'Arséniure de Gallium GaAs ( on dit souvent , improprement, AsGa,) est un semi conducteur dans lequel les électrons ont une mobilité beaucoup plus grande que dans le Silicium (voir ci-dessous ) cela entraîne que, pour une même quantité de dopant, la résistivité du GaAs est environ 15 fois plus faible que celle du Silicium. D'autre part, l'énergie nécessaire pour créer une paire électron-trou  est de 1,43 eV au lieu de 1,1 pour le Silicium d'où une plus grande résistivité, intrinsèque.

Ces caractéristiques confèrent au GaAs des propriétés qui vont permettre de réaliser des transistors très rapides, utilisés dans les amplificateurs haute fréquence et dans les circuits logiques rapides.

 

La conductibilité électrique est donnée par la formule: σ = n.q.μ   dans laquelle :
           n est le nombre de porteurs de charge par unité de volume
          q la charge électrique de chacun d'eux
 et      μ la mobilité des porteurs   que l'on peut décomposer en deux éléments: 
           est la faculté d'accélération (soumise à une tension E, la force qui s'exerce sur une particule ionisée de charge q est F=q.E et l'accélération de la particule soumise à cette force est      cependant m n'est pas exactement la masse de la particule mais sa masse effective qui dépend de l'interaction

 des différents champs dans la matière.

          Par exemple, dans le silicium la masse effective de l'électron est 0,97 fois la masse réelle alors que dans le GaAs celle-ci est 0,068 fois la masse réelle d'où une mobilité près de 15 fois supérieure.

    La littérature actuelle se limite à un rapport de 9

 si l' Arséniure de Gallium présente des avantages par la grande mobilité de ses électrons, il n'en est pas de même pour la mobilité de ses trous qui sont du même ordre que dans le silicium. Il en résulte que pour réaliser une paire de transistors l'un N l'autre P il faudra, si nous voulons leur donner des caractéristiques voisines réaliser un P de dimensions beaucoup plus importantes que le N. Il est impossible de réaliser l'équivalent d'une porte CMOS qui associe deux MOS l'un N l'autre P deux autres facteurs sont également importants :
          - le GaAs n'a pas la propriété , comme le silicium, de s'oxyder en formant un oxyde isolant comme le SiO2
          - Le prix. Les composants du Ga As , le Gallium qui est un corps que l'on ne trouve pas à l'état naturel, il n'y a pas de mine de Gallium , on le trouve associé au charbon, à la bauxite etc.. et l'Arsenic est un corps très toxique qui doit être manipulé avec précautions .
En 2010 la consommation mondiale de Gallium a été de 160Tonnes.
Le Gallium a une température de fusion de 29,76 ºC et l'Arsenic se sublime (passage directe de l'état solide à l'état gazeux sans passer par l'état liquide) à 615ºC.  Le monocristal d''Arséniure de Gallium est obtenu par croissance sur un germe de l'Arsenic et du Gallium à l'état gazeux. Sa température de fusion est de 1240 ºC
Le monocristal d'Arséniure de Gallium est plus fragile que celui du Silicium, aussi si l'on peut obtenir des tranches (wafer) de silicium de 300mm de diamètre alors qu' en GaAs il faut se contenter de 150mm pour un coût 10 fois supérieur.  Ceci a, bien entendu,  une répercussion sur le prix des composants.

Les MESFETs  (MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor)

Apparus en 1966, ils ont démontrés leurs qualités l'année suivante.
Ils sont cependant difficile à fabriquer , la grille métallique est placée directement sur le GaAs créant ainsi une jonction schottky et sont fragiles en température, surchauffe du composant lui est fatal, soudage très délicat, sensible à l'électricité statique .

Les transistors MESFETs sont fabriqués maintenant de façon courante, on trouve des composants pouvant travailler à des fréquences voisines de 24 GHz et semble-t-il jusqu'à 100GHz

Au milieu des années 80, les MESFETs ne sont pas encore fabriqués en grande série à en juger par la décision de Seymour Gray de fabriquer le Cray 2 à l'aide de transistors au silicium poussés à leur maximum  (244 MHz) ce n'est que pour le Cray 3 en 1988 qu'il utilisera les MESFET mais il ne verra jamais le jour faute d'argent.

Les circuits intégrés GaAs: MMIC (Monolithique Microwave Integrated Circuit)

Les circuits intégrés MMIC ont d'abord été conçus pour les circuits analogiques, ils peuvent fonctionner dans la gamme de 300 MHz à 300 GHz. Ils sont particulièrement intéressants dans la mesure où , à ces fréquences, le câblage est particulièrement délicat, l'emploi de circuits intégrés garantit une répétitivité difficile à obtenir avec des assemblages de composants discrets.

Apparus au début des années 80 pour les circuits analogiques on trouve des articles techniques sur des convertisseurs de fréquence (2 à 26 GHz) en 1988. Les circuits digitaux sont apparus un peu plus tard . Cependant il n'a pas été possible de réaliser l'équivalent des portes CMOS du fait de la piètre mobilité des trous dans le GaAs. La grande différence de mobilité des électrons et des trous imposerait des transistors dont les dimensions seraient trop dissemblables. A la fin des années 80 , les MMIC ont le vent en poupe il vont atteindre leur plein essor dans les années 97/98 avec les nouveaux appareils de communication:
                            TV par câble
                            Modem
                            Téléphones mobiles
                            Wifi
                            Radar automobiles etc....

Pour prendre un exemple, la société Triquint a été crée en 1985 pour se consacrer à l'arséniure de gallium elle est filiale de Tektronix . En 1991 , Gazelle circuit, Gigabit logic et triquint ont fusionné sous le nom Triquint , en 2002 elle absorbe Infineon GaAs puis en 2005 TFR technologies etc...et le 2 janvier 2015 fusionne avec la société QRVO et prend le nom de Qorvo

Son chiffre d'affaires qui peut donner une idée de l'évolution du marché du GaAs :

1995 46 M$
1997 100 M$
1999 160 M$
2000 300 M$

 Les produits sur le marché sont très divers , sur le plan des circuits logiques on trouve chez Keysight des diviseurs par 2 (HMMC-31xx) , par 4 (HMMC-3124) , par 8 (HMMC-3108) ils sont utilisables de 0,2 à 26GHz, s'alimentent en 5V( de 4,5 à 6,5V) et le seuil logique se situe à Vcc -1,5 à 1,2V

http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/fet-field-effect-transistor/gaasfet-mesfet-basics.php

 

 

 

Numéro de la Fiche 126
Dernière mise à jour 13-01-2016