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Thèse N° 04-2008 UNIVERSITE DE LIMOGES FACULTE DES SCIENCES ECOLE DOCTORALE Sci

Thèse N° 04-2008 UNIVERSITE DE LIMOGES FACULTE DES SCIENCES ECOLE DOCTORALE Science – Technologie – Santé XLIM : Equipe « Circuits et Sous-Ensembles Electroniques Non-Linéaires » THESE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LIMOGES Discipline : "Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique" Présentée et soutenue par Charles TEYSSANDIER le 6 Mars 2008 Contribution à la modélisation non-linéaire de transistors de puissance HEMT Pseudomorphiques sur substrat AsGa : Analyse des effets parasites Thèse dirigée par Raymond QUERE et Raphaël SOMMET Membres du jury : M Juan OBREGON Professeur émérite, Université de Limoges Président M Eric BERGEAULT Professeur, l’ENST (Paris) Rapporteur M Joaquin PORTILLA Professeur, Université du Pays Basque (Bilbao) Rapporteur M Bernard CARNEZ Ingénieur, UMS (Orsay) Examinateur M Raymond QUERE Professeur, Université de Limoges Examinateur M Raphaël SOMMET Chargé de Recherche CNRS, Université de Limoges Examinateur M Christophe CHANG Ingénieur, UMS (Orsay) Invité A mes parents et à toute ma famille, A tous ceux qui me sont chers... Remerciements Contribution à la modélisation non-linéaire de transistors PHEMT AsGa Remerciements Ce travail a été réalisé au sein de l’équipe Modèles de UMS. Je remercie M. Bernard CARNEZ de m'avoir accueilli au sein de cette équipe afin de réaliser mes recherches. J'exprime mes sincères remerciements à M. Christophe CHANG, ingénieur à UMS, pour les précieux conseils et pour la disponibilité dont il a fait preuve. L'encadrement universitaire a été assuré par l’équipe Composants Circuits Signaux et Systèmes Hautes Fréquences du site de Brive. Je tiens à remercier M. Raymond QUERE, Professeur à l'Université de Limoges, pour la confiance qu'il m'a témoigné en acceptant de m’acceuillir dans le département qu’il dirige. Je le remercie aussi pour m’avoir dirigé et conseillé pendant toute la durée de cette thèse, en collaboration avec M. Raphaël SOMMET, Chargé de recherche au CNRS, leurs suggestions et leur sympathie m'ont permis de mener à bien ce travail. J’exprime mes sincères remerciements à M. Juan OBREGON, Professeur émérite de l’université de Limoges, pour l’honneur qu’il me fait en acceptant de présider le jury de cette thèse. Je remercie également M. Eric BERGEAULT, Professeur à École Nationale Supérieure des Télécommunications (ENST) de Paris et M. PORTILLA, Professeur de L’Université del Pais Vasco, d’avoir accepter de juger ce travail en qualité de rapporteurs. Mes remerciements vont également à Mademoiselle H. BREUZARD, Secrétaire de l’équipe C2S2 à Brive, pour sa disponibilité et sa gentillesse. J’associe à mes remerciements Madame M.-C. LEROUGE, Secrétaire de l’équipe C2S2 à Limoges, pour son efficacité dans toutes les démarches administratives qu’elle a réalisées à Limoges. Un grand merci à tout les doctorants et docteurs que j’ai côtoyé durant cette thèse pour leurs aides, leurs convivialités et les sorties du jeudi. Je souhaite également exprimer ma sincère gratitude envers tout le personnel compétant et convivial d’UMS avec qui j’ai pu collaborer, de prés ou de loin, pendant ces trois ans. Les designers qui m’ont fait profiter de leurs expériences et de leurs bonnes humeurs. Remerciements Contribution à la modélisation non-linéaire de transistors PHEMT AsGa Enfin, mes remerciements seraient incomplets sans adresser toute ma reconnaissance aux différents membres de l'équipe Modèles, les anciens comme les nouveaux. Outre les échanges scientifiques et sportifs que nous avons pu avoir, je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à Philippe, Olivier, Laurent, Christophe et Sylvain pour l'ambiance amicale et l'inconditionnel soutient que chacun a su m’apporter. Je n’oublirai pas les bons moments de rigolade vécus dans le « bocal » avec les anciens thésards : Cyril et Julien, comme avec les nouveaux à qui je souhaite bon courage : Claude et Guillaume. Table des matières Contribution à la modélisation non-linéaire de transistors PHEMT AsGa Table des matières Introduction générale 1 Chapitre I : Les composants actifs hyperfréquence 5 I. Introduction 6 II. Les différentes filières technologiques 7 A. Introduction 7 B. Présentation des principaux transistors de puissance 9 1. Les Transistors Bipolaires à Hétérojonction (HBT) 9 2. Les transistors à effet de champ 15 III. Principe de fonctionnement des transistors à effet de champ AsGa 24 A. Historique et généralités 24 B. Le transistor de type MESFET 26 1. Principe du contact métal-semi-conducteur (Modèle de Schottky) 26 2. Le transistor MESFET 29 C. Présentation des transistors à Hétérojonction 33 1. Principe de l’hétérojonction 34 2. Structure d’un HEMT classique 36 3. Structure d’un PHEMT conventionnel 37 4. Le HEMT métamorphique 38 IV. Caractéristiques du PHEMT de puissance 40 A. Le processus technologique du PHEMT de puissance 40 B. Caractéristiques géométriques de la structure PHEMT destinée aux applications de puissances 43 C. Critères de performance électrique du transistor de puissance 47 1. Fonctionnement petit signal 47 2. Fonctionnement grand signal 51 D. Conclusion 53 Bibliographie 55 Table des matières Contribution à la modélisation non-linéaire de transistors PHEMT AsGa Chapitre II : Modélisation non linéaire des PHEMTs AsGa 63 I. Introduction : les besoins en terme de modélisation 64 II. Les différents types de modélisations génériques [46][47] 66 A. Les modèles physiques analytiques 66 B. Les modèles physiques numériques 67 1. Les modèles macroscopiques 68 2. Les modèles microscopiques ou particulaires 69 C. Les modèles phénoménologiques 69 1. La source de courant Ids 71 2. Les capacités non linéaires Cgs et Cgd 74 D. Les modèles par tables 76 E. Choix du modèle 76 III. Principe de la caractérisation en impulsions 77 A. Introduction 77 B. La caractérisation convective 78 C. La caractérisation hyperfréquence : 80 D. Mesures thermiques 81 IV. Description du modèle non linéaire du PHEMT AsGa 82 A. Détermination du schéma électrique équivalent petit signal 82 1. Les éléments intrinsèques 83 2. Les éléments extrinsèques 84 B. Détermination des éléments parasites extrinsèques du modèle 84 1. Méthode d’extraction 84 2. Analyse de sensibilité 87 C. Extraction des éléments intrinsèques 89 1. Méthode d’extraction 89 2. Analyse de sensibilité 92 D. Exemple de modélisation petit signal avec la filière PPH25X d’UMS 94 E. Modélisation non linéaire des caractéristiques I(V) 98 1. La modélisation du courant de drain Ids 99 2. Les diodes d’entrées IDGS et IDGD 102 3. La modélisation des phénomènes d’avalanche 102 4. Détermination des paramètres des éléments non linéaires du modèle 103 F. Les capacités non linéaires Cgs et Cgd [88] 106 1. Méthode d’extraction à partir des paramètres [S] 107 Table des matières Contribution à la modélisation non-linéaire de transistors PHEMT AsGa 2. Le modèle à une seule variable 109 3. Les modèles à deux variables 111 G. Loi d’échelle 112 1. Le courant de drain 112 2. Les capacités non linéaires 114 3. Les générateurs d’avalanches 116 H. Validation du modèle 116 1. Validation du modèle en régime grand signal 116 2. Validation du modèle au travers de l’amplificateur de puissance MILEA 119 V. Conclusion 123 Bibliographie 125 Chapitre III : Les effets thermiques dans les PHEMTs AsGa 133 I. Introduction 134 II. Problématique 135 A. Pourquoi est-il important de connaître la température d’un composant ? 135 B. Mise en évidence de l’auto-échauffement dans les PHEMTs AsGa 135 III. Méthodes de détermination de la température de jonction des composants MMICs 136 A. Définition de la résistance thermique 137 B. Mesures électriques de la résistance thermique [99] 137 1. Méthode du courant de grille 139 2. Méthode du courant de drain 141 C. Méthode de mesures par spectroscopie Raman 144 D. Simulation thermique de transistors 146 1. Introduction 146 2. La simulation 3D ANSYS de la structure PPH25X 148 E. Comparaison des différentes techniques de détermination de Rth 154 IV. Les modèles thermiques 156 A. Le modèle thermique multi-cellules RC 156 1. Analogie thermique-électrique 156 2. Détermination de la capacité thermique 157 3. Le modèle multi-cellules dans le simulateur circuit 159 B. Le modèle thermique réduit distribué 161 Table des matières Contribution à la modélisation non-linéaire de transistors PHEMT AsGa 1. Technique de réduction 162 2. Distribution du modèle 167 V. Caractérisation de la dépendance thermique des éléments du modèle 168 A. Objectif de la caractérisation 168 B. Extraction des éléments intrinsèques à partir des paramètres [S] mesurés en température 169 C. Influence de la température sur la fréquence de transition et sur la fréquence maximale d’oscillation 173 D. Etude des paramètres [S] en fonction de la température 176 E. Dépendance en température des caractéristiques I(V) 177 VI. Modélisations des effets thermiques dans le transistor 179 A. Modélisation des sources de courant 180 B. Modélisation des diodes 183 C. Récapitulatif des valeurs des paramètres du modèle non linéaire électrothermique 185 VII. Les modèles thermiques en simulation 186 A. Validation du modèle thermique à cellules RC 186 1. Vérification sur un transistor PPH25X 186 2. Amplificateur MILEA : comparaison mesure-simulation à différentes températures 188 B. Intérêt du modèle thermique réduit 189 1. Comparaison des deux circuits thermiques 189 2. Profil de température sur le transistor 12x100 190 VIII. Conclusion 191 Bibliographie 192 Chapitre IV : Les effets parasites dans les PHEMTs AsGa 197 I. Introduction 198 II. Les effets de pièges dans les transistors PHEMTs AsGa de puissance 198 A. Présentation du phénomène 198 B. Les différents phénomènes de pièges 199 C. Impact des pièges sur les PHEMTs AsGa uploads/Geographie/ teyssandier-charles.pdf