Elaboration d'un nouveau modèle hydrodynamique bidimensionnel de transistor à effet de champ à hétérojonctions pour l'amplification de puissance en millimétrique PDF Download
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Le developpement ou l'amelioration des nouvelles filieres de transistor a effet de champ hyperfrequence ne peut s'envisager sans l'appui de la modelisation physique qui permet la predetermination des caracteristiques et l'optimisation des structures. Le travail que nous presentons a pour objet l'elaboration d'un modele physique bidimensionnel qui prend en compte les effets physiques specifiques induits par une faible longueur de grille et la presence d'heterojonctions. Dans la premiere partie, un tour d'horizon des differents modeles susceptibles de prendre en compte les phenomenes physiques rencontres dans les composants destines a l'amplification de puissance en gamme millimetrique est effectue. Une attention particuliere est portee aux modeles hydrodynamiques semi-classique ou a correction quantique qui font l'objet de ce travail. Les methodes numeriques utilisees pour resoudre ce type de modele sont alors decrites de maniere approfondie. Dans la partie suivante, les resultats de la simulation d'un mesfet gaas a recess de grille sont presentes. Ils mettent en evidence l'influence d'une part des methodes numeriques utilisees et d'autre part des termes inertiels de l'equation du moment lorsque la longueur de grille diminue. Enfin, la derniere partie de ce travail est consacree a la simulation d'un transistor a effet de champ a heterojonctions : le lm-hemt sur inp. Plusieurs types de modeles d'heterojonction sont compares : le modele de champ electrique equivalent et des modeles thermoioniques. A cette occasion, leurs associations avec les modeles hydrodynamiques sont largement developpees.
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Le developpement ou l'amelioration des nouvelles filieres de transistor a effet de champ hyperfrequence ne peut s'envisager sans l'appui de la modelisation physique qui permet la predetermination des caracteristiques et l'optimisation des structures. Le travail que nous presentons a pour objet l'elaboration d'un modele physique bidimensionnel qui prend en compte les effets physiques specifiques induits par une faible longueur de grille et la presence d'heterojonctions. Dans la premiere partie, un tour d'horizon des differents modeles susceptibles de prendre en compte les phenomenes physiques rencontres dans les composants destines a l'amplification de puissance en gamme millimetrique est effectue. Une attention particuliere est portee aux modeles hydrodynamiques semi-classique ou a correction quantique qui font l'objet de ce travail. Les methodes numeriques utilisees pour resoudre ce type de modele sont alors decrites de maniere approfondie. Dans la partie suivante, les resultats de la simulation d'un mesfet gaas a recess de grille sont presentes. Ils mettent en evidence l'influence d'une part des methodes numeriques utilisees et d'autre part des termes inertiels de l'equation du moment lorsque la longueur de grille diminue. Enfin, la derniere partie de ce travail est consacree a la simulation d'un transistor a effet de champ a heterojonctions : le lm-hemt sur inp. Plusieurs types de modeles d'heterojonction sont compares : le modele de champ electrique equivalent et des modeles thermoioniques. A cette occasion, leurs associations avec les modeles hydrodynamiques sont largement developpees.
Author: Tarek Ahmad-Shawki Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 186
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L'auteur présente un nouveau modèle de transistor à effet de champ à hétérostructure et à grille submicronique. Il est basé sur la résolution bidimensionnelle des équations fondamentales des semiconducteurs déduites de l'équation de transport de Boltzmann et incluant les effets de relaxation du moment et de l'énergie. Il décrit les phénomènes physiques essentiels qui conditionnent le transfert électronique dans ces structures et discute la validité des équations qu'il utilise pour les représenter. Il développe largement l'éventail des méthodes numériques nouvelles mises en oeuvre pour leur résolution. Grâce à ce modèle, validé par l'expérience, il met en évidence l'influence de nombreux phénomènes physiques sur le comportement et les performances de composants. Il aboutit à des règles d'optimisation, particulièrement utiles pour la conception des nouveaux dispositifs pour les gammes millimétriques.
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Le developpement ou l'amelioration des nouvelles filieres de transistors a effet de champ hyperfrequences ne peut s'envisager sans l'appui de la modelisation physique qui permet la predetermination des caracteristiques et l'optimisation des structures. Le travail que nous presentons a pour objet l'elaboration d'un modele physique quasi bidimensionnel capable de traiter des regimes specifiques tels que le claquage par avalanche ou l'etude de circuits en regime temporel. Dans la premiere partie, les differents types de composants susceptibles d'etre utilises pour l'amplification de puissance hyperfrequence sont presentes. Dans chacun des cas, l'accent est porte sur les principales limitations rencontrees dans ce type d'application. Les differents outils de simulation physique sont ensuite presentes afin de mettre en evidence les avantages lies au modele quasi bidimensionnel que nous avons utilise. Dans la partie suivante, nous decrivons la methodologie mise en oeuvre pour l'etude du claquage par avalanche, un des phenomenes les plus limitatifs pour l'amplification de puissance hyperfrequence. L'influence des principaux parametres technologiques (longueur de grille, geometrie du recess, caracteristiques de l'epitaxie) est envisagee. La validation des resultats est obtenue en les comparant a ceux issus d'autres modeles physiques ou a des mesures impulsionnelles. Le modele mis au point peut facilement etre adapte a l'etude de composants de filieres differentes. Enfin, la derniere partie de ce travail est consacree au couplage d'un nouveau modele physique de transistor a effet de champ avec un modele de circuit permettant une analyse en regime temporel. Apres la description du modele que nous avons elabore, sa mise en oeuvre est presentee en traitant differents types de dispositifs.
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Ce travail est axé sur la simulation des FETs pour l'amplification de puissance hyperfréquence. Dans ce but, 'nous .avons développé des modèles de type hydrodynamique bidimensionnel pour analyser le phénomène de claquage par avalanche dans les pHEMTs sur GaAs, ainsi que pour étudier les HEMTs AlGaN/GaN. Ces modèles sont des outils précis qui permettent d'analyser des composants de puissance dont les topologies sont proches des structures réelles. La confrontation des résultats théoriques avec ceux issus des mesures s'avère être très satisfaisante. L'étude du pHEMT sur GaAs, nous a permis de comprendre le mécanisme de claquage par avalanche dans ce type de composant. Ainsi, le pHEMT à double recess de grille et à deux plans de dopage constitue la structure la mieux adaptée pour l'amplification de puissance hyperfréquence. Le modèle adapté pour étudier les HFETs AlGaN/GaN, permet de montrer les excellentes potentialités de cette filière dans le domaine de l'amplification de puissance.
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Dans ce memoire nous presentons les potentialites du transistor hemt pseudomorphique sur gaas pour l'amplification de puissance hyperfrequence en nous interessant plus particulierement a l'influence de la temperature sur les performances et celle de sa topologie notamment le recess de grille. Nous developpons, a partir d'un modele de simulation hydrodynamique bidimensionnelle, une analyse physique precise des phenomenes de transport electronique dans le composant. Ce modele theorique est base sur la resolution des equations fondamentales des semi-conducteurs deduites de l'equation de transport de boltzmann. Cette analyse est completee par une comparaison theorie experience qui permet de valider notre logiciel. L'etude theorique prend en compte les phenomenes apparaissant au sein du composant fonctionnant en amplification de puissance. Dans un premier temps, nous avons determine l'influence de l'elevation de la temperature sur les performances. Nous nous sommes ensuite penches sur l'importance de la geometrie d'un composant notamment le recess de grille. A l'aide de notre modele, nous avons montre qu'une topologie adaptee du transistor permet de limiter l'apparition du phenomene de claquage dans les composants. D'autre part, nous avons mis en evidence le role determinant du potentiel de surface pour les structures a grille courte destinees a l'amplification de puissance.
Author: Michel Rousseau Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 50
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Ce mémoire présente une synthèse des résultats scientifiques obtenus au cours de quatre thèses co-dirigées. Ce travail a été réalisé à l'IEMN, dans le groupe de recherche 'Composants et dispositifs micro-ondes de puissance'. Ces travaux ont pour but de faire une analyse physique des transistors à effet de champ destinés à l'amplification microonde de puissance, à l'aide de modèles macroscopiques bidimensionnels. Différents modèles spécifiques ont été développés, chacun correspondant à un objectif précis. Tous ces modèles ont été validés, la plupart du temps par des comparaisons avec les résultats expérimentaux. Une fois validé, chaque modèle devient un outil permettant l'analyse physique de composants, très utile pour le technologue car capable d'aider à l'optimisation de structures. Le premier chapitre est consacré à l'élaboration d'un modèle hydrodynamique complet, prenant en compte les effets inertiels. Pour ce faire il faut inclure dans le modèle la résolution des équations du moment. Un certain nombre d'améliorations du modèle ont été effectuées à ce moment-là, comme par exemple la modélisation des interfaces que sont les hétérojonctions et la grille Schottky. Au cours de ce travail, nous avons montré que pour des transistors à effet de champ en arséniure de gallium il devient nécessaire d'utiliser un modèle hydrodynamique complet dès que la longueur de grille devient inférieure à 0,5 μm, sinon on surestime de façon importante le courant circulant entre drain et source, car on surestime le phénomène de survitesse. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse du claquage par avalanche dans les pHEMTs de la filière GaAs. Cette étude a demandé le développement d'un modèle bipolaire incluant la génération par impact. Différentes topologies du fossé de grille ont été étudiées, d'où il ressort que la topologie la plus intéressante est celle à double fossé de grille, et que l'optimisation du double fossé de grille dépend de la classe de fonctionnement. Nous avons également montré que pour réduire le courant de grille, il est préférable de n'utiliser qu'un seul plan de dopage. Le troisième chapitre décrit les travaux les plus récents, consacrés à la filière des matériaux à grande largeur de bande interdite. Une première analyse concerne les effets thermiques particulièrement marqués dans cette filière. Pour cela, un modèle électro-thermique a été mis au point. Nous avons ainsi expliqué la saturation du courant observée sur des motifs de type TLM réalisés sur des épitaxies de la filière nitrure de gallium; celle-ci est observée pour des champs électriques bien inférieurs au champ critique de ce matériau. L'influence du substrat sur la température de la zone active a également été étudiée. Cet outil est capable de prévoir quel sera l'échauffement de la structure pour un substrat donné, et d'évaluer quelles seront les pertes de performances du composant, du fait de cet échauffement. L'autre étude est consacrée à l'analyse des électrodes de champ plat, utilisées pour augmenter les tensions de claquage. Le mécanisme d'étalement du champ électrique a été mis en évidence ainsi que l'étalement de l'énergie. Les conséquences sur les éléments du schéma équivalent petits signaux ont également été étudiées. On a donc un modèle capable de permettre l'optimisation de ces électrodes de champ plat.
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L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST D'EVALUER LES POTENTIALITES DU TRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION (TBH) POUR L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE A HAUT RENDEMENT INDISPENSABLE POUR LES SYSTEMES DE RADIOCOMMUNICATIONS MOBILES. APRES LA DESCRIPTION DES MOYENS DE CARACTERISATIONS DE TRANSISTORS DE PUISSANCE DISPONIBLES AU SEIN DU LABORATOIRE, LES DEVELOPPEMENTS DE METHODOLOGIES ET D'OUTILS DE SIMULATION ET D'OPTIMISATION ET DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE SONT PRESENTES. LES POTENTIALITES DU TBH POUR L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE A HAUT RENDEMENT A 1.8 GHZ SONT EVALUEES PAR L'UTILISATION INTENSIVE DES OUTILS D'OPTIMISATION DEVELOPPES. UN MODE DE FONCTIONNEMENT OPTIMAL EN RENDEMENT SPECIFIQUE AU TBH EST DEMONTRE. ENSUITE, LES PERFORMANCES THEORIQUES EN TERMES DE PUISSANCE, DE RENDEMENT ET DE LINEARITE D'UN TRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION ET D'UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP DE DIMENSIONS SIMILAIRES SONT COMPARES. DES VALIDATIONS EXPERIMENTALES POUR UN FONCTIONNEMENT EN MONOPORTEUSE ET EN BIPORTEUSE SONT PRESENTEES. DEUS CONCEPTIONS D'AMPLIFICATEURS A BASE DE TBH EN BANDE L ET S RESPECTIVEMENT EN TECHNOLOGIE HYBRIDE ET MMIC SONT DECRITES DANS CE MEMOIRE. LES MESURES EFFECTUEES SUR L'AMPLIFICATEUR EN TECHNOLOGIE HYBRIDE CONFIRMENT LES POTENTIALITES DU TBH DANS LE DOMAINE DES RADIOCOMMUNICATIONS. EN EFFET, UN RENDEMENT EN PUISSANCE AJOUTEE DE 77% A ETE MESURE POUR UNE FAIBLE POLARISATION DE SORTEI (3,3 V)
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Ce travail est relatif a des developpements originaux d'une methode de simulation numerique bidimensionnelle de transistors a effet de champ a gaz bidimensionnel d'electrons (hemt). L'objectif poursuivi est, grace a l'utilisation de ce modele, d'ameliorer la comprehension du fonctionnement physique de ces composants et de faciliter leur optimisation en vue d'une utilisation comme elements de puissance microondes. En effet, vu le grand nombre de parametres a considerer, seule une simulation physique precise permet d'apporter des elements decisifs pour cette optimisation. Le modele est base sur la resolution numerique bidimensionnelle des equations generales dites hydrodynamiques dans les semiconducteurs. L'auteur y introduit la prise en compte de nouveaux effets tels que ceux lies a la quantification, l'ionisation par choc et l'avalanche. Ce modele a ete utilise d'une part pour une comparaison des performances et des caracteristiques des hemt conventionnels et des hemt pseudomorphiques (couches actives en gainas). Pour ces derniers, l'influence d'un grand nombre de parametres technologiques a ete etudiee (longueur de grille, configuration de la zone creusee, etc). L'auteur a montre qu'il existait des oscillations parasites dans les structures planaires qui peuvent apporter des limitations importantes aux performances de ces composants et, pour la premiere fois pour ce type de modele, a mis en evidence clairement les phenomenes de claquage lies aux effets d'ionisation par choc et d'avalanche.
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L'amélioration permanente des performances des transistors à effet de champ, en termes de fréquence, puissance ou rendement, a conduit ces composants à remplacer progressivement les tubes à vide dans les amplificateurs hyperfréquences. De plus, depuis quelques années, l'extraordinaire explosion des applications grand public comprenant des circuits de puissance hyperfréquences (radiocommunication sans fil, télécommunications par satellite, systèmes d'anti-collision, d'auto-péage, et de surveillance de la circulation) a renforcé cette tendance. La première partie de ce travail développe une méthode de caractérisation spécifique en statique et en hyperfréquence petit signal des transistors à effet de champ millimétriques en vue d'une utilisation en puissance. Des analyses sont effectuées afin de déterminer les principales limitations de ces composants. Des solutions sont envisagées afin d'améliorer leurs performances. La suite du travail porte sur la caractérisation de ces transistors en fonctionnement grand signal dans la bande de fréquence 26-40 GHz à partir de bancs de mesures en puissance classiques. L'étude continue avec une recherche de l'influence des polarisations drain source et grille source et du développement total de grille sur les comportements en puissance des composants. La dernière partie présente un système automatise de mesures grand signal dans la bande Ka qui permet d'effectuer des mesures en mode load pull à charge active ou en analyseur de réseau standard et d'avoir accès à toutes les grandeurs caractéristiques (gains, puissances, rendements). Ces mesures et analyses ont pour objectifs l'amélioration de la technologie pour les applications de puissance et la validation des modèles non linéaires utilisés pour la conception de circuits hybrides ou monolithiques.
Author: Jean-David Delemer
Author: Jean-David Delemer
Author: Tarek Ahmad-Shawki
Author: Tarek Ahmad-Shawki
Author: Yves Butel
Author: Majda Elkhou
Author: Jérôme Hédoire
Author: Michel Rousseau
Author: Alain Mallet
Author: Khaled Sherif
Author: Christophe Gaquière