Qu’est-ce qu’un circuit intégré monolithique hyperfréquence
Un circuit intégré monolithique hyperfréquence est un circuit intégré (CI) fonctionnant aux fréquences radio intermédiaires entre l’infrarouge et les ondes de radiodiffusion dites « micro-ondes ». Il intègre des fonctions, principalement d’amplification des ondes micro-ondes, de commutation et de mélange, sur un seul substrat semi-conducteur.
MMIC est l’abréviation de “Monolithic Microwave Integrated Circuit” et désigne les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences. Il existe deux types de circuits intégrés : les circuits intégrés hybrides et les circuits intégrés monolithiques.
Les circuits intégrés hybrides, quant à eux, sont des circuits intégrés monolithiques et d’autres éléments densément intégrés dans un seul circuit intégré sur une carte mère ou une carte de module.
Utilisations des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences
Les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences sont principalement utilisés dans des applications où les micro-ondes sont utilisées pour la communication, telles que les terminaux mobiles représentés par les smartphones, la RFID et d’autres communications utilisant des capteurs, les circuits intégrés émetteurs/récepteurs pour les stations de base et les récepteurs de radiodiffusion par satellite. Par rapport aux MIC (circuits intégrés hyperfréquences) conventionnels, qui sont fabriqués en combinant des composants discrets, ces circuits se caractérisent par leur faible fréquence de défaillance en raison de l’absence de pièces soudées.
De plus, comme le nombre de composants est réduit, l’utilisation des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences contribue à la miniaturisation, à la réduction du poids et à la diminution des coûts.
Principe des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences
Le principe des circuits intégrés monolithiques consiste à former des inductances et des condensateurs, qui sont des éléments passifs, sur des substrats semi-conducteurs semi-isolants tels que le GaAs et le SOI, qui sont des matériaux adaptés à la construction de circuits intégrés hyperfréquences, et à utiliser des transistors bipolaires, qui sont des éléments actifs dotés d’une excellente vitesse de fonctionnement, etc. pour créer des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences analogues à ceux des circuits intégrés classiques. Le point clé est la création d’un circuit intégré analogique utilisant des éléments actifs tels que les transistors bipolaires, qui ont d’excellentes vitesses de fonctionnement.
Les éléments actifs souvent utilisés dans les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences comprennent les MESFET, les HEMT, les HBT et les MOSFET, qui sont souvent fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs composés tels que GaAs, GaN et SOI et de substrats semi-conducteurs présentant d’excellentes propriétés d’isolation.
Les différents matériaux semi-conducteurs ont une mobilité électronique et des énergies de bande interdite différentes, de sorte que la sélection de semi-conducteurs ayant des propriétés adaptées aux spécifications requises, telles que la fréquence de fonctionnement et la tension de claquage, permet de réaliser des applications à haute puissance et à haute fréquence. L’objectif de l’utilisation d’éléments passifs est d’assurer l’adaptation de l’impédance dans les circuits à micro-ondes, principalement les inductances, les condensateurs et les résistances.
Les inducteurs sont souvent utilisés dans les lignes à haute impédance et les inducteurs en spirale. Les condensateurs comprennent des structures MIM avec une structure sandwich de diélectrique et de contre-électrodes, et celles avec une structure d’électrodes en forme de peigne disposées en rangée.
Autres informations sur les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences
1. Exemples de circuits intégrés monolithiques hyperfréquences
Les exemples typiques de circuits intégrés monolithiques hyperfréquences comprennent les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences sur substrats GaAs, SOI-CMOS et SiGe. Les MMIC sur substrats GaAs et les MMIC en SOI-CMOS sont couramment utilisés dans les amplificateurs de puissance à haute fréquence pour les amplificateurs cellulaires et les amplificateurs à faible bruit utilisés dans les smartphones, les amplificateurs de puissance à haute fréquence pour les communications WiFi et les commutateurs pour la commutation du chemin de transmission et de réception autour des antennes.
En effet, des transistors avec un facteur d’amplification élevé et un rendement élevé peuvent être formés pour amplifier et émettre une puissance de plusieurs W pour la transmission d’ondes micro-ondes dans la bande de plusieurs GHz aux stations de base, et que les condensateurs et les inductances en spirale utilisés dans les circuits d’adaptation pour les applications à haute fréquence peuvent également avoir une valeur Q raisonnablement élevée. Les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences (MMIC) sur substrats GaAs ou SOI sont également appropriés car ils peuvent garantir une valeur Q raisonnablement élevée.
Les HBT (transistors bipolaires à hétérojonction) sont souvent utilisés dans ce domaine. En effet, il est relativement facile de contrôler leur variation en utilisant la technologie de dépôt MOCVD et ils n’ont pas besoin d’une polarisation négative de l’alimentation comme les dispositifs HEMT.
2. Exemples de circuits intégrés monolithique hyperfréquence
Les applications pour lesquelles les circuits intégrés monolithiques constituent la seule option de configuration viable sont notamment la 5G, en particulier pour les applications de communication en ondes millimétriques, et les applications en ondes millimétriques pour les radars automobiles anti-collision. Dans ces cas, les dispositifs actifs sont généralement des HEMT GaAs, des HBT à base d’InP, des SOI-CMOS fins à base de Si et des HBT SiGe, qui présentent d’excellentes caractéristiques de fréquence.
La fréquence de coupure (fT) et la fréquence d’oscillation maximale (fmax) sont souvent utilisées comme indicateurs de performance pour les caractéristiques des dispositifs, mais pour les normes de communication de la prochaine génération, telles que la gamme sub-THz pour au-delà de la 5G et de la 6G, très peu de dispositifs à semi-conducteurs sont capables d’amplifier ces fréquences. Par exemple, pour les dispositifs à semi-conducteurs traitant la bande D à 140 GHz, fT doit être au moins deux fois plus élevé, soit environ 300 GHz.
Les dispositifs passifs présentent également des pertes de transmission très élevées dans la bande des ondes millimétriques, de sorte qu’il est essentiel de disposer d’une technologie permettant de supprimer autant que possible les pertes de transmission entre les différents blocs de circuits en les intégrant dans des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences plutôt que dans des configurations discrètes. Dans les applications à bande d’ondes millimétriques, la technologie des réseaux d’antennes appelée beamforming est également utilisée en combinaison avec les MMIC pour générer de l’énergie, et la recherche et le développement pour les communications Beyond 5G et 6G sont stimulés.