Contribution à l'étude PHYSIQUE ET A L'OPTIMISATION DES PHOTOTRANSISTORS BIPOLAIRES A HETEROJONCTION A L'AIDE D'OUTILS DE SIMULATION NUMERIQUE PDF Download
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Book Description
L'objet du travail presente dans ce memoire concerne la modelisation physique et electrique du phototransistor bipolaire a heterojonction (hpt) utilise comme photodetecteur d'un faisceau lumineux module par une frequence micro-onde. Ce memoire est constitue de trois parties ; la premiere debute par la presentation des differents modeles physiques utilises dans les simulations suivie par une validation du logiciel de simulation numerique bidimensionnel par l'etude d'une structure du transistor bipolaire a heterojonction (hbt) ingap/gaas. Le modele de conservation d'energie associe avec la resolution de l'equation de la chaleur sont utilises afin d'etudier les effets electrothermiques dans la structure du hbt. Les performances optoelectroniques de cette structure sont ensuite etudiees. Les frequences de coupure electriques et optoelectroniques sont calculees en fonction de la dimension de la fenetre d'eclairement situee entre les electrodes de base et d'emetteur. La seconde partie presente les resultats des calculs effectues sur un phototransistor a heterojonction (hpt) inp/ingaas developpe au cnet de bagneux. Differentes configurations d'eclairement sont etudiees afin de mettre en evidence les phenomenes physiques entrant dans le processus de la photodetection dans le hpt. La derniere partie presente le modele electrique grand signal du phototransistor inp/ingaas developpe a partir des resultats des simulations physiques. Il est ensuite optimise afin de coller aux courbes de mesures statiques et dynamiques du phototransistor
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L'objet du travail presente dans ce memoire concerne la modelisation physique et electrique du phototransistor bipolaire a heterojonction (hpt) utilise comme photodetecteur d'un faisceau lumineux module par une frequence micro-onde. Ce memoire est constitue de trois parties ; la premiere debute par la presentation des differents modeles physiques utilises dans les simulations suivie par une validation du logiciel de simulation numerique bidimensionnel par l'etude d'une structure du transistor bipolaire a heterojonction (hbt) ingap/gaas. Le modele de conservation d'energie associe avec la resolution de l'equation de la chaleur sont utilises afin d'etudier les effets electrothermiques dans la structure du hbt. Les performances optoelectroniques de cette structure sont ensuite etudiees. Les frequences de coupure electriques et optoelectroniques sont calculees en fonction de la dimension de la fenetre d'eclairement situee entre les electrodes de base et d'emetteur. La seconde partie presente les resultats des calculs effectues sur un phototransistor a heterojonction (hpt) inp/ingaas developpe au cnet de bagneux. Differentes configurations d'eclairement sont etudiees afin de mettre en evidence les phenomenes physiques entrant dans le processus de la photodetection dans le hpt. La derniere partie presente le modele electrique grand signal du phototransistor inp/ingaas developpe a partir des resultats des simulations physiques. Il est ensuite optimise afin de coller aux courbes de mesures statiques et dynamiques du phototransistor
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L'OBJET DU TRAVAIL PRESENTE DANS CE MEMOIRE CONCERNE LA MODELISATION PHYSIQUE ET ELECTRIQUE DU PHOTOTRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION (HPT) UTILISE COMME PHOTODETECTEUR D'UN FAISCEAU LUMINEUX MODULE PAR UNE FREQUENCE MICRO-ONDE. CE MEMOIRE EST CONSTITUE DE TROIS PARTIES ; LA PREMIERE DEBUTE PAR LA PRESENTATION DES DIFFERENTS MODELES PHYSIQUES UTILISES DANS LES SIMULATIONS SUIVIE PAR UNE VALIDATION DU LOGICIEL DE SIMULATION NUMERIQUE BIDIMENSIONNEL PAR L'ETUDE D'UNE STRUCTURE DU TRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION (HBT) INGAP/GAAS. LE MODELE DE CONSERVATION D'ENERGIE ASSOCIE AVEC LA RESOLUTION DE L'EQUATION DE LA CHALEUR SONT UTILISES AFIN D'ETUDIER LES EFFETS ELECTROTHERMIQUES DANS LA STRUCTURE DU HBT. LES PERFORMANCES OPTOELECTRONIQUES DE CETTE STRUCTURE SONT ENSUITE ETUDIEES. LES FREQUENCES DE COUPURE ELECTRIQUES ET OPTOELECTRONIQUES SONT CALCULEES EN FONCTION DE LA DIMENSION DE LA FENETRE D'ECLAIREMENT SITUEE ENTRE LES ELECTRODES DE BASE ET D'EMETTEUR. LA SECONDE PARTIE PRESENTE LES RESULTATS DES CALCULS EFFECTUES SUR UN PHOTOTRANSISTOR A HETEROJONCTION (HPT) INP/INGAAS DEVELOPPE AU CNET DE BAGNEUX. DIFFERENTES CONFIGURATIONS D'ECLAIREMENT SONT ETUDIEES AFIN DE METTRE EN EVIDENCE LES PHENOMENES PHYSIQUES ENTRANT DANS LE PROCESSUS DE LA PHOTODETECTION DANS LE HPT. LA DERNIERE PARTIE PRESENTE LE MODELE ELECTRIQUE GRAND SIGNAL DU PHOTOTRANSISTOR INP/INGAAS DEVELOPPE A PARTIR DES RESULTATS DES SIMULATIONS PHYSIQUES. IL EST ENSUITE OPTIMISE AFIN DE COLLER AUX COURBES DE MESURES STATIQUES ET DYNAMIQUES DU PHOTOTRANSISTOR.
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Les potentialités des structures phototransistors bipolaires à hétérojonction SiGe contraint sur Silicium pour les applications opto-microondes sont explorées par la simulation physique. Un modèle hydrodynamique dérive-diffusion couplé à un modèle d'absorption optique est exploité. Le jeu complet de modèles de paramètres du SiGe/Si est mis en place. les variations de la largeur de bande interdite sont notamment synthétisées, des expressions de densités effectives d'états rigoureuses sont développées et le coefficient d'absorption optique est extrait de données de mesures à 90K. Un modèle à un phonon dit de MacFarlane est exploité. Une méthode d'extraction originale est proposée qui fournit des lois de variations en fonction de la longueur d'onde optique incidente, de la température et de la fraction de Ge. La définition d'outils fondamentaux pour l'étude rigoureuse opto-microonde des phototransistors est ensuite apportée : Le signal microonde porté par le signal optique est modélisé au travers d'une représentation en courant de la puissance optique. L'intérêt de cette représentation est décrit et argumenté. Les paramètres de sensibilités et de gain optique sont généralisés afin de tenir compte du comportement triporte du dispositif. Un gain de puissance opto-microonde est enfin défini de manière fondamentale, ainsi que des paramètres S opto-microondes. La définition de fréquences maximales de fonctionnement est proposée et l'optimisation des impédances terminales de différents phototransistors est présentée à partir d'une expérience antérieure sur des HPT InP/InGaAs. Le dernier chapitre analyse par simulation, à l'aide des précédents outils, les prototypes de HPT SiGe/Si réalisés. Par ce biais, les mécanismes internes de détection et d'amplification sont détaillés, et les performances opto-microondes potentielles développées. Un banc de mesure à lγm est enfin proposé.
Author: Vincent Magnin Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Dans cette these, nous presentons des outils de modelisation destines a l'etude des composants optoelectroniques et des methodes d'optimisation permettant d'en tirer encore plus de profit. Afin de modeliser differents composants optoelectroniques sur inp, nous avons mis au point un logiciel fonde sur la methode des faisceaux propages (bpm) afin d'etudier la propagation et l'absorption de la lumiere, et un modele hydrodynamique afin de modeliser leur comportement electronique. Nous avons realise une recherche bibliographique pour regrouper les donnees materiaux necessaires. Le premier composant que nous avons etudie et optimise est un phototransistor a heterojonction inp/ingaas pour les applications hyperfrequences. Nous avons expose son fonctionnement et montre ses possibilites et limites. Sa structure optique de type guide d'onde peut etre amelioree par l'ajout d'une couche de quaternaire. On peut envisager la realisation de phototransistors a double heterojonction pour les applications de puissance. Nous avons ensuite etudie des photodiodes pin-guide a tres fort coefficient de couplage et grande tolerance d'alignement. Differentes solutions ont ete envisagees. Nous avons montre l'interet des structures lentillees, comportant plusieurs couches de confinement d'indices optiques progressifs, et etudie leurs performances optiques et electriques. Pour optimiser ces structures, nous avons mis au point un algorithme monte carlo couple a une bpm-2d, qui permet de tester des milliers de structures aleatoires. Enfin, nous avons realise un algorithme genetique couple a une bpm-2d et avons montre son interet pour l'optimisation de composants optoelectroniques avec de nombreux parametres et des objectifs multiples. Ce type d'algorithme est fonde sur la theorie de l'evolution de darwin. Nous l'avons applique a l'optimisation de commutateurs optique a reflexion interne totale et de commutateurs cascade.
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Ce travail porte sur la modélisation unidimensionnelle et bidimensionnelle du transistor bipolaire à hétéro jonction (tbh) de la filière gainp/gaas en régime statique non stationnaire, pour l'optimisation des composants en vue de la réalisation d'amplificateurs monolithiques de puissance à hauts rendements en classes a, b et c, en bande x. Nous avons pour cela développé des modèles physiques hydrodynamiques non stationnaires à une et deux dimensions. Ils se distinguent par leur complémentarité car si le modèle bidimensionnel permet une description plus complète des phénomènes physiques dans le composant, le modèle unidimensionnel est quant à lui mieux adapté à une étude d'optimisation de structure. Ces modèles ont permis de décrire les principaux phénomènes physiques dans la structure de tbh, depuis le mécanisme de transport dans le composant jusqu'aux principaux effets physiques limitatifs pour un fonctionnement en régime de forte puissance: l'effet kirk, responsable de la dégradation des performances du transistor en gain et fréquences de coupure en régime de forte injection, et l'effet de claquage par avalanche de la jonction base-collecteur. Pour reculer ces limitations nous avons étudié l'influence des paramètres technologiques sur ces effets néfastes. Nous avons envisagé plusieurs configurations de la zone de collecteur avec des profils de dopage appropriés ainsi que l'utilisation de matériaux peu ionisants tel que le gainp. Pour la zone d'émetteur, nous avons évalué l'importance de l'effet de défocalisation et proposons une largeur de doigt optimale pour l'obtention de puissances de sortie maximales en bande x. Cette étude conduit à la définition d'une première structure sensiblement optimale de tbh présentant des fréquences de transition supérieures à 50 ghz, des gains en courant statiques supérieurs à 20, avec des tensions d'avalanche collecteur-base supérieures à 22 v
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Des prototypes de phototransistors bipolaires à hétérojonction SiGe/Si fabriqués avec une technologie industrielle de HBT d’Atmel, ont été caractérisés électriquement et opto-électriquement à 940nm. Une sensibilité de 1, 49A/W et une fréquence de transition optique de 400MHz en mode phototransistor ont été obtenues pour un prototype présentant une fenêtre optique de 10×10μm2. Un modèle comportemental optique-microonde pour les couches SiGe contraint sur Si a été utilisé pour développer un modèle physique du phototransistor SiGe. Les résultats issus de ce modèle en comparaison avec les mesures ont permis la validation du modèle comportemental. Les résultats de la simulation physique ont été ensuite utilisés afin de développer un modèle opto-électrique statique associé à un modèle petit signal pour une polarisation particulière en mode phototransistor. L’intégration de la partie optique a été facilitée par le développement du modèle en corrélation avec la structure physique du phototransistor. Le dernier chapitre se concentre sur l’exploitation du modèle physique dans le but d’évaluer les performances du phototransistor. Tout d’abord, le phototransistor a été caractérisé pour un éclairement vertical au travers de la fenêtre optique à 940nm. Suite à une étude des zones rapides et des contributions de chaque région, nous avons pu mettre en avant un effet UTC-HPT (Uni-Traveling-Carrier) dans le cas où seule la base absorbe. Cet effet a été de nouveau obtenu lors d’une étude en longueur d’onde et a été maximisé à la longueur de 1, 17μm privilégiant l’absorption dans le SiGe. Nous avons montré une voie d’optimisation des performances du phototransistor avec un éclairement latéral et estimé les performances qu’il est possible d’atteindre. L’ensemble de ce travail apporte ainsi une contribution préliminaire à de potentielles applications du phototransistor SiGe pour les applications Radio-over-Fiber, qui présentent des porteuses microondes atteignant les 3, 1 − 10, 6GHz pour l’UWB à près de 60GHz ou plus pour le très haut débit sans fil
Author: Noureddine Chennafi
Author: Noureddine Chennafi
Author: NOUREDDINE.. CHENNAFI
Author: 
Author: Jean-Luc Polleux
Author: Vincent Magnin
Author: Amina Tachafine
Author: Frédéric Moutier