Soutenance mémoire
Le domaine de l’électronique radiofréquence, tout particulièrement celui des télécommunications civiles et des applications militaires (système de surveillance, radar de détection, communications, …) impose sur le frond-end RF des contraintes très fortes pour tendre vers un système unique, multifonctionnel et ou multistandard. Ainsi, la demande toujours croissante en termes de fonctionnalités, tout en maintenant un coût contraint, contribue à l’émergence de technologies innovantes dédiées à la réalisation de systèmes électroniques qualifiés « d’intelligents » (« smart systems ») notamment grâce à leur reconfigurabilité ou à l’agilité qu’ils peuvent présenter. Cette agilité fait l’objet de multiples recherches dans le domaine des hyperfréquences et peut porter sur différents paramètres du système (fréquence, bande passante, diagramme de rayonnement, direction de pointage, etc.).
Les défis imposés par les nouvelles applications, telles que les prochaines générations de télécommunications (applications 5G) et la montée en fréquence des applications mais aussi les front-ends des radars de prochaine génération, requièrent alors des systèmes électroniques présentant de faibles pertes avec une agilité très rapide (par exemple pour une commutation entre les différentes normes pour les télécommunications ou une rapidité de l’acquisition de l’information dans le cadre des applications radars). Cette rapidité, tant recherchée par les applications de haut débit notamment, implique alors l’utilisation de commutateurs ayant des temps de transition très faibles (de l’ordre de la nanoseconde). Afin de répondre à ces besoins d’agilité, le domaine des microondes fait appel à diverses approches basées sur des composants de types semi-conducteurs (diodes PIN, transistors FET, etc.), MEMS (« Micro-ElectricalMechanical Systems ») ou à des matériaux agiles (ferroélectrique, ferromagnétique, cristaux liquides et matériaux à changement de phase, entre autres).
PRESENTATIONS DES ELEMENTS D’ACCORDS
Les éléments d’accord permettant de réaliser des fonctions radiofréquences (RF) reconfigurables les plus utilisés jusqu’à ce jour sont les éléments intégrés à base de semiconducteurs tels que les diodes PIN (« Positive Intrinsic Negative ») et les transistors FET (« Field Effect Transistor »). Ces éléments sont concurrencés par l’apparition des MEMS RF (« Micro-Electro-Mechanical Systems ») possédant des performances RF excellentes. Plus récemment, l’utilisation des matériaux dits «agiles » afin de réaliser une reconfiguration RF voit son essor. Parmi ces matériaux agiles, il peut être cité les ferroélectriques, les ferromagnétiques, les cristaux liquides et les matériaux à changement de phase.
SEMI-CONDUCTEURS
Les éléments à base de semi-conducteurs utilisent principalement les propriétés de la jonction PN (« Positive Negative »).
DIODE PIN
La diode PIN (« Positive Intrinsic Negative ») est composée, comme son nom l’indique, de trois régions : une région centrale intrinsèque (non dopée) entourée de part et d’autre par une région négative (dopée N) et une région positive (dopée P). Le dopage (introduction d’impuretés en quantité contrôlée) des semi-conducteurs permet de réguler la valeur de la résistivité et le courant circulant dans le semi conducteur. Ainsi, l’introduction dans le semiconducteur d’un élément donneur d’électrons permet l’obtention d’un dopage de type N, tandis que l’introduction d’un élément receveur d’électrons permet l’obtention d’un dopage de type P. Une jonction PN est alors formée par la mise en contact de deux semi-conducteurs dopés différemment.
Deux modes de fonctionnement sont alors distinguables selon la polarisation de la diode : polarisation dite « directe » et polarisation dite « inverse » . Lors de la polarisation directe une tension externe Eext est appliquée dans le sens de la diode (borne – du générateur branchée sur la zone dopée N de la diode, et borne + du générateur branchée sur la zone dopée P). Cette tension permet la circulation d’un courant dans la diode en diminuant la largeur de la zone intrinsèque nommée alors « zone de charge d’espace » (ZCE) . La diode est alors dans son état passant (ON). Inversement, l’application d’une tension externe Eext dans le sens inverse de la diode (borne – du générateur branchée sur la zone dopée P de la diode et la borne + du générateur branchée sur la zone dopée N) diminue le courant électrique parcourant le composant en augmentant la largeur de la ZCE. Un courant nul peut être obtenu pour une valeur de seuil de la tension externe appliquée. La diode fonctionne alors en polarisation inverse et est dans son état bloqué (OFF).
Les diodes PIN peuvent être réalisées sur différents semi-conducteurs tels que, par exemple, l’Arséniure de Galium (GaAs) [1], le Carbure de Silicium (SiC) [2] ou encore le Nitriure de Galium (GaN) [3]. Les diodes PIN sont largement employées en raison de leur fiabilité, leur capacité d’intégration (simplicité d’utilisation et faible coût de fabrication) et leur temps de commutation faible de l’ordre de quelques nanosecondes. Bien qu’à l’état bloqué, les diodes PIN présentent de très bonnes performances d’isolation, une résistance résiduelle subsiste à l’état passant introduisant des pertes d’insertion élevées pour des applications dans les dispositifs radiofréquences (RF).
TRANSISTOR FET
A l’instar de la diode PIN, le transistor à effet de champs (TEC ou FET pour « Field Effect Transistor ») est aussi basé sur les jonctions PN des semi-conducteurs. Constitué de trois accès (Source (S), Grille (G) et Drain (D)), le transistor FET est réalisé à l’aide de deux régions de dopage opposé. Une première zone de dopage est constituée par la grille tandis qu’une deuxième permet de relier le drain à la source . Cette dernière zone forme le canal de conduction du transistor. Selon la nature du dopage du canal de conduction, dopée N ou dopée P , le transistor FET est alors classifié de type N ou de type P respectivement. La zone constituant la grille est nécessairement de dopage opposé afin de créer les jonctions PN.
Le fonctionnement d’un transistor FET est basé sur la régulation de la largeur du canal de conduction. Dans le cas d’un FET de canal N, une tension VGS négative (et positive dans le cas d’un canal P) appliquée entre la grille et la source soumet alors la jonction PN à une polarisation inverse. Cette tension crée alors une zone de déplétion réduisant donc la largeur du canal de conduction et augmentant la résistivité du semi-conducteur. L’ajout d’une tension VDS positive entre le drain et la source permet alors de faire circuler un courant à travers ce canal.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 – Contexte et problématique
Résumé
1. Contexte
2. ANR MUFRED
2.1. Objectifs et défis du projet
2.2. Organisation du projet
2.2.1. Présentation des partenaires
2.2.2. Organisation et management
2.3. Impacts attendus du projet
2.3.1. Impacts scientifiques et techniques
2.3.2. Impacts sociétaux et économiques
3. Objectifs de la thèse
Bibliographie
Chapitre 2 – État de l’art des dispositifs RF accordables
Résumé
1. Présentations des éléments d’accords
1.1. Semi-conducteurs
1.1.1. Diode PIN
1.1.2. Transistor FET
1.2. MEMS RF
1.3. Matériaux agiles
1.3.1. Ferroélectrique
1.3.2. Ferromagnétique
1.3.3. Cristaux liquides
1.3.4. Matériaux à changement de phase
1.4. Comparaison des techniques
2. Dispositifs accordables
2.1. Commutateurs RF
2.1.1. Présentation
2.1.2. Commutateurs RF à base de diodes PIN
2.1.3. Commutateurs RF à base de transistors FET
2.1.4. Commutateurs RF à base de MEMS RF
2.1.5. Comparaison des temps de commutation
2.2. Déphaseurs reconfigurables
2.2.1. Présentation
2.2.2. Déphaseurs à base de diodes PIN
2.2.3. Déphaseurs à base de transistors FET
2.2.4. Déphaseur à base de MEMS RF
2.2.5. Synthèse de l’état de l’art des déphaseurs
2.3. Réseaux d’antennes reconfigurables
2.3.1. Présentation
2.3.2. Réseaux d’antennes à base de diodes PIN
2.3.3. Réseaux d’antennes à base de transistors FET
2.3.4. Réseaux d’antennes à base de MEMS RF
3. Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 – Matériaux à transition isolant-métal
Résumé
1. Introduction des matériaux agiles pour la commutation
2. État de l’art des matériaux MIT
3. Les oxydes de vanadium
3.1. Généralités
3.2. Le dioxyde de vanadium VO2
3.2.1. Présentation générale
3.2.2. Structure cristallographique
3.2.3. Propriétés électriques
3.2.4. Propriétés optiques et mécaniques
3.2.5. Commandes d’activation
3.3. Quelques applications du dioxyde de vanadium
3.3.1. Fenêtres intelligentes à base de VO2
3.3.2. Capteurs à base de VO2
3.3.3. Commutateurs et filtres à base de VO2
3.3.4. Antennes à base de VO2
3.3.5. Déphaseurs à base de VO2
4. Méthodes de dépôts
4.1. Ablation par laser impulsionnel
4.2. Dépôts chimiques en phase vapeur
5. Étude préliminaire d’intégration du VO2 dans des dispositifs élémentaires
5.1. Présentation des dispositifs élémentaires à concevoir
5.1.1. Commutateurs RF à base de VO2
5.1.2. Stubs reconfigurables à base de VO2
5.1.3. Polarisation des motifs de VO2
5.1.4. Cahier des charges et dimensionnement des dispositifs
5.2. Réalisation
5.3. Résultats expérimentaux par commande électrique
5.3.1. Commutateur RF série
5.3.2. Stub CO-CO
6. Commande optique et temps de commutation
6.1. Manipulation
6.2. Temps de commutation
6.3. Difficultés rencontrées
7. Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
Télécharger le rapport complet
