Modélisation et caractérisation thermique de transistors de puissance hyperfréquence GaN et conséquences sur la fiabilité de modules radars d'émission/réception en bande X PDF Download
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Book Description
Ce document traite de la modélisation et de la caractérisation thermique de transistors de puissance GH25 pour des applications Radar en bande X. Les performances et la fiabilité sont liées à l'auto-échauffement dans les composants. Une estimation précise de la température en conditions réelles d'utilisation est nécessaire. Pour ces raisons, nous avons développé un modèle thermique utilisant un outil paramétrable pour extraire la température maximale du transistor. Les résultats de simulation ont été comparés à des mesures de température en périphérie du point chaud. Ces mesures ont été réalisées par thermographie IR, thermoréflectance et spectrométrie Raman pour valider la précision des modèles thermiques en mode de fonctionnement DC, pulsé et pour la première fois CW. Une nouvelle formule basée sur le comportement thermique réel du transistor a été définie dans le but d'améliorer les calculs du taux de défaillance des systèmes Radar en utilisant la méthode FIDES.
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Ce document traite de la modélisation et de la caractérisation thermique de transistors de puissance GH25 pour des applications Radar en bande X. Les performances et la fiabilité sont liées à l'auto-échauffement dans les composants. Une estimation précise de la température en conditions réelles d'utilisation est nécessaire. Pour ces raisons, nous avons développé un modèle thermique utilisant un outil paramétrable pour extraire la température maximale du transistor. Les résultats de simulation ont été comparés à des mesures de température en périphérie du point chaud. Ces mesures ont été réalisées par thermographie IR, thermoréflectance et spectrométrie Raman pour valider la précision des modèles thermiques en mode de fonctionnement DC, pulsé et pour la première fois CW. Une nouvelle formule basée sur le comportement thermique réel du transistor a été définie dans le but d'améliorer les calculs du taux de défaillance des systèmes Radar en utilisant la méthode FIDES.
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Depuis l'avènement des modules de puissance à état solide dans les radars, la longueur de pulse et le rapport cyclique n'ont cessé d'augmenter afin d'accroître les performances du radar. Ces fortes exigences de fonctionnement ont augmenté la quantité de contraintes appliquées aux transistors et ont un impact direct sur leurs temps de vie. Une connaissance approfondie de cet impact est nécessaire pour une meilleure estimation de la fiabilité des modules et des transistors qui la composent. C'est pour toutes ces raisons qu'une étude a été engagée pour élaborer de nouvelles méthodes d'investigations de la fiabilité des composants RF de puissance en condition de fonctionnement Radar pulsé. Par conséquent, ce travail présente un banc de fiabilité innovant, dédié spécifiquement à des tests de vie sur des composants RF de puissance sous des conditions de pulse RF pour une application radar. Un transistor RF LDMOS a été retenu pour nos premiers tests en vieillissement accélérés. Une caractérisation électrique complète (I-V, C-V et RF) a été effectuée. Ainsi, un examen complet de ces paramètres électriques critiques est exposé et analysé. Toutes les dérives des paramètres électriques après un vieillissement accéléré sont étudiées et discutées. D'après l'analyse de ces résultats, on constate que plus la température est basse, plus les dérives des paramètres électriques significatives sont imùportantes. Finalement, le mécanisme de dégradation proposé pour le RF LDMOS est, par conséquent, la création d'états d'interface par les porteurs chauds (pièges). De plus, plus d'états d'interfaces sont générés à température basse, en raison d'un phénomène d'ionisation par impact. c'est la raison pour laquelle les dégradations électriques sont plus fortes à 10°C.
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Parmi les technologies du 21e siècle en pleine expansion, la télécommunication sans-fil constitue une dimension fondamentale pour les réseaux mobiles, l'aéronautique, les applications spatiales et les systèmes de positionnement par satellites. Dans ce sens, l'alternative de l'exploitation de bande de plus haute fréquence et la multiplication des canaux de transmission sont activement visées par les travaux de recherches actuels. Les technologies à l'étude reposent sur l'utilisation de systèmes intégrés pour répondre aux considérations de coûts de production et d'encombrement des dispositifs. L'élément de base de ces systèmes, le transistor, établit largement la performance du dispositif final en termes de montée en fréquence, de fiabilité et de consommation. Afin de répondre aux défis présents et futurs, des alternatives à la filière silicium sont clairement envisagées. À ce jour, la filière nitrure de gallium est présentée comme la plus prometteuse pour l'amplification de puissance en bande Ka et W au vue de ses caractéristiques physiques et électriques, des performances atteintes par les prototypes réalisées et des premiers produits commerciaux disponibles.L'exploitation de cette technologie à son plein potentiel s'appuie sur la maîtrise des étapes de fabrication, de caractérisation et de modélisation du transistor. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une modélisation de transistors fabriqués expérimentalement à l'état de l'art. Une partie conséquente de ce travail sera portée sur la caractérisation thermique du dispositif ainsi que sur la modélisation d'éléments passifs pour la conception d'un circuit hyperfréquence de puissance.
Author: Mohamed Gares Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 230
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Since their early implementation, the length of pulses and the cyclic report/ratio did not cease increasing in order to increase the radar performances. These strong requirements of operation increased the quantity of pressure applied to the transistors, which constitue the modules of power in the radars and have a direct impact over their life times. A thorough knowledge of this impact is necesary for a better estimation of the reliability of modules and transistors, which make it up. It is for all these reasons that a study was committed to work out new investigation methods of the power RF components under RF pulses conditions for a radar application. A transistor RF LDMOS was retained for our first tests in accelerated ageing under various conditions (DC, RF, temperature and TOS). Electric characterizations (I-V, C-V and [S] parameters) were carried out. Thus, a complete examination of these critical electric parameters is exposed and analysed. All electric parameter drift after an accelerated ageing are studied and discussed. According to the analysis of these results, one notes that the lower the temperature is, the more important the drifts int the significant electric parameters. In order to understand the physical degradation phenomena inside the structure, we performed a 2-D physical simulation (Silvaco-Atlas). Finally, the degradation mechanism proposed for RF LDMOS is the interface states creation by the hot carriers (traps).
Author: Mouna Chetibi-RIah Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 155
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This work deals with electrothermal modelling of LDMOS power transistor for the study of reliability in radar applications. In a first part, we presented the characteristics of MOS transistors, and particularly the LDMOS, compared to bipolar transistors. We studied the influence of the temperature rise in semiconductor components on their relevant physical quantities. Finally, we explained the basics of the reliability of power transistors and we discussed ways and mechanisms of failure and the main laws of acceleration of failure (temperature, current density, injection of hot carriers). In a second part, the whole process of extraction of electrothermal model of an LDMOS is presented in detail. This study was based on the MET model deemed most appropriate for RF LDMOS power transistor. The reliability bench used to perform accelerated ageing tests has been described in chapter three. The goal is the understanding of the degradation of the reliability of such components in pulsed mode. Thus, all the electrical and RF parameters drifts after accelerated ageing tests have been studied and discussed.
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Les performances en puissance hyperfréquence des composants à base de nitrures sont fortement affectées par certains phénomènes physiques. La thermique, le claquage et la présence de pièges constituent les principales causes limitatives de ces composants. L'augmentation de la température altère les propriétés de transport dans le matériau et par conséquent, réduit ses performances électriques et hyperfréquences. Dans le cadre de composants de cette filière ce phénomène est particulièrement important compte tenu des puissances mise en Jeu. Le GaN est un semiconducteur III - V à grand gap dont la tension de claquage intrinsèque est très élevée. Les composants de type HEMT peuvent donc fonctionner à des tensions élevées mais la répartition du champ électrique constitue une limitation qui peut être améliorer grâce à des topologies particulières. Ce travail est consacré à l'analyse physique et thermique ainsi qu'à l'optimisation des différentes topologies de composants à base de GaN. Une attention particulière a été apportée, au niveau de la modélisation, entre le couplage physique-thermique. Cette étude permet de quantifier les performances en puissance et en fréquence de ces structures afin d'en déterminer les limites et de repousser ces dernières par le choix de la structure et/ou par un management thermique judicieux. Quant aux limites en tension, elles peuvent être améliorées par l'ajout d'une électrode de champ adéquate (Field-Plate) avec un design très réaliste du transistor HEMT. Cette étude a permis d'expliquer quantitativement le phénomène de saturation du courant entre deux contacts ohmiques. Quant aux résultas relatifs à l'optimisation des structures FieldPlate, ils sont en parfaite adéquation avec le comportement électrique observé expérimentalement. Les modèles physique développés s'avèrent être des outils de prédiction extrêmement utile pour les technologues et permettent une compréhension rigoureuse des phénomènes physiques observés.
Author: Gwenael Le Coustre Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 179
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L’utilisation de matériaux grand gap, et tout particulièrement l’emploi du nitrure de gallium est une solution pour la génération de puissance aux fréquences microondes. Les HEMTs réalisés à partir du matériau GaN présentent actuellement les meilleures performances mondiales pour la génération de puissance hyperfréquence. Cependant, les concepteurs ont besoin de connaître leurs limitations électriques : Plus précisément, ils ont besoin de connaître leurs caractéristiques électriques dans leurs zones de fonctionnement et d’en avoir des modèles mathématiques intégrables dans des outils de CAO. Dans une première partie, des caractérisations électriques ont été effectuées afin de déterminer l’impact des limitations physiques sur la génération de puissance : tension de claquage, pièges de drain et de grille, résistance thermique d’interface dans l’épitaxie ... Dans la deuxième partie de cette thèse, la conception et la réalisation de premières maquettes ont été effectuées en bande S (3 GHz). Ces maquettes permettent une première caractérisation des composants de puissance de plusieurs millimètres de développement de grille réalisés au laboratoire. Ces caractérisations, pour des considérations de connexions mais également thermiques ne sont pas réalisables sous pointes. Ces mesures permettent également la détermination des impédances optimales en puissance et en rendement au plus près des composants afin de les connaitre avec précision. Ces impédances seront utilisées lors de la conception des amplificateurs de puissance présentée dans la dernière partie. Dans un premier temps, une analyse de l’impact des adaptations d’entrée et de sortie sur la largeur de bande d’adaptation a été réalisée. Une attention particulière a été consacrée à l’architecture de l’adaptation d’entrée. Dans un second temps, une présentation de la conception et de caractérisation d’amplificateurs de puissance de classes 25W et 100W en bande S est présentée. Des mesures de ces amplificateurs ont montré des puissances de sortie supérieures à 120W avec un rendement en puissance ajoutée et un gain en puissance associé respectivement de 40% et 22dB. Ces résultats en termes de puissance, de rendement et de température confortent la possibilité de réaliser des amplificateurs en bande-S pour des applications radars en technologie GaN.
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Les composants HEMTs (High Electron Mobility Transistors) à base d'AlGaN/GaN sont à ce jour les candidats les plus prometteurs pour des applications hyperfréquences de puissance, dû essentiellement à leur forte densité de porteurs et des mobilités électroniques élevées. Cependant, la température générée en condition réelle est un paramètre capital à mesurer, afin d'estimer précisément la fiabilité des composants et leur durée de vie. Pour ces raisons, nous avons comparé les méthodes de caractérisation thermique par thermoréflectance et par spectroscopie Raman car elles sont non destructives et avec une résolution spatiale submicronique. Ces techniques ont déjà prouvé leur faisabilité pour la caractérisation thermique des transistors, en modes de fonctionnement continu et pulsé. Nous comparons dans cette étude leurs adaptabilité et performance dans le cadre de la réalisation d'un banc d'essai thermique dédié. Ces méthodes sont reconnues pour ne caractériser que certaines catégories de matériaux : les métaux pour la thermoréflectance et les semiconducteurs pour la spectroscopie Raman, ce qui nous a conduit à l'éventualité de les combiner. Nous avons confronté des résultats obtenus par thermoréflectance à partir des équipements de deux fabricants commercialisant cette méthode, nous permettant ainsi de mettre en évidence des résultats originaux sur des aspects et inconvénients qui ne sont pas relayés dans la littérature. Avec la spectroscopie Raman, nous avons identifié les paramètres de métrologie qui permettent de réaliser un protocole de mesure thermique le plus répétable possible, et nous présentons également une technique innovante pour sonder les matériaux en surface, à l'aide du même équipement, et notamment les métaux.
Author: Hind Bousbia Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 189
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Il est aujourd’hui admis que les semi-conducteurs à large bande interdite vont permettre de repousser les frontières atteintes à ce jour dans le domaine de la génération de puissance hyperfréquence. L’analyse des principaux critères technologiques (physiques et électriques) des matériaux grands gap, et plus précisément du GaN montre que ce dernier est un candidat sérieux pour les applications de télécommunications et radar. Un modèle électrothermique de ces transistors hyperfréquences à FET sur GaN a été utilisé dans ces travaux pour analyser les comportements transitoires lents dus aux effets thermiques et aux effets de pièges. Une comparaison des performances en puissance, rendement et linéarité a été faite entre les résultats de simulation et ceux de mesure pour des signaux de deux types : CW impulsionnels et Bi porteuses impulsionnels. L’utilisation de signaux CW impulsionnels a permis une validation pratique des modèles électrothermiques de transistors HBT et une expertise de différentes filières technologiques de ces transistors. L’utilisation de signaux bi porteuses impulsionnels a permis d’observer des tendances sur les compromis rendement/linéarité en fonction des effets de pièges de transistors FET GaN. Des mesures réalisées sur une configuration originale d’un banc de caractérisation de type « load-pull » pour une mesure d’intermodulation en mode pulsé ont permis de montrer les limitations actuelles des modèles de ces transistors dans le cadre de simulations de fonctionnement dynamique.
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Haut rendement, forte linéarité et large bande de fonctionnement sont les points clés de la conception d’amplificateur de puissance d’aujourd’hui. De plus, de nombreux amplificateurs de puissance sont développés en technologie hybride utilisant des transistors en boîtier, rajoutant une difficulté supplémentaire pour extraire des modèles CAO fiables pour concevoir ces amplificateurs. Le sujet de cette thèse est de proposer une nouvelle méthodologie de modélisation de transistors en boîtier, rapide, automatique et dédiée à la conception d’amplificateurs de puissance large bande et haut rendement. Pour cela, un nouveau modèle comportemental de transistor est proposé, avec une méthode innovante d’extraction. Pour valider le nouveau flot de conception basé sur des modèles comportementaux de transistors, l’étude aboutit à un démonstrateur en technologie GaN présentant un rendement en puissance ajoutée moyen de 65%, une puissance de sortie moyenne de 41 dBm et un gain en puissance moyen de 13 dB sur 36% de bande relative autour de 2.2 GHz.
Author: Lény Baczkowski
Author: Lény Baczkowski
Author: Hichame Maanane
Author: Adrien Cutivet
Author: Mohamed Gares
Author: Mouna Chetibi-RIah
Author: Brahim Benbakhti
Author: Gwenael Le Coustre
Author: Guillaume Brocero
Author: Hind Bousbia
Author: Wilfried Demenitroux