Etude en radiofréquences de transistors à effet de champ MOS partiellement désertés en technologie

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SOMMAIRE SOMMAIRE Liste des Professeurs de l'INSA de Lyon...................................................................... 3 Liste des écoles doctorales de Lyon en 2005................................................................. 7 Remerciements............................................................................................................. 11 Sommaire ..................................................................................................................... 17 Liste des figures ........................................................................................................... 21 Liste des tableaux ........................................................................................................ 29 Introduction ................................................................................................................. 31 1- Les dispositifs intégrés .............................................................................................. 32 2- Les différentes technologies...................................................................................... 33 3- Historique du SOI ..................................................................................................... 34 3.1 La technologie Silicon-On-Sapphire.................................................................................... 35 3.2 ELO et ZMR... 35 3.3 FIPOS ................................................................ ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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SOMMAIRE
SOMMAIRE
Liste des Professeurs de l'INSA de Lyon...................................................................... 3Liste des écoles doctorales de Lyon en 2005.................................................................7Remerciements............................................................................................................. 11Sommaire ..................................................................................................................... 17Liste des figures........................................................................................................... 21Liste des tableaux ........................................................................................................29Introduction ................................................................................................................. 311-Les dispositifs intégrés .............................................................................................. 322-Les différentes technologies...................................................................................... 333-Historique du SOI ..................................................................................................... 343.1La technologie Silicon-On-Sapphire.................................................................................... 353.2........................................................................................................................ 35ELO et ZMR3.3FIPOS .................................................................................................................................. 363.4Le procédé SIMOX.............................................................................................................. 363.4.1MICROX ..................................................................................................................... 363.5Bonded SOI ......................................................................................................................... 373.6En résumé ............................................................................................................................ 384-Différences entre Si massif et SOI............................................................................ 395-Présentation du mémoire.......................................................................................... 40Bibliographie ............................................................................................................... 42Chapitre I : La technologie SOI 130 nm.................................................................... 451.La technologie SOI.................................................................................................... 451.1................................................................................ 45La désertion dans les MOSFET SOI1.2.Description de la technologie.......................................................................................... 482.Le MOSFET .............................................................................................................. 482.1.Le fonctionnement des MOSFET en statique ................................................................. 482.1.1.Les régimes de fonctionnement .................................................................................. 492.1.2.La tension de seuil ...................................................................................................... 532.1.3.Le courant drain-source .............................................................................................. 532.1.3.1.Courant en inversion faible et pente sous le seuil ............................................... 542.1.3.2.Régime d'inversion forte ..................................................................................... 542.2................................................................... 55Les phénomènes parasites dans le MOSFET2.2.1.La mobilité effective................................................................................................... 562.2.2.Les effets de canal court.............................................................................................. 582.2.2.1.Modulation de la longueur de canal .................................................................... 582.2.2.2.Vitesse de saturation............................................................................................ 602.2.2.3.Le partage des charges ........................................................................................ 612.2.2.4.L'effet de canal court inverse .............................................................................. 632.2.2.5.Effet de réduction de la barrière de potentiel induit par le drain ......................... 632.2.2.6................................................................................................. 64L'effet de perçage
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SOMMAIRE2.2.2.7.Résumé des effets de canal court ........................................................................ 652.2.3.Les effets de canal étroit ............................................................................................. 662.2.4.Les effets liés à la grille .............................................................................................. 672.2.4.1.Épaisseur effective de grille ................................................................................ 67Effets de polydésertion.................................................................................................... 67Les effets quantiques....................................................................................................... 682.2.4.2.Le courant de grille ............................................................................................. 682.2.4.3.Effet GIDL .......................................................................................................... 702.2.5.L'ionisation par impact................................................................................................ 712.2.6.Les claquages et le régime d'avalanche....................................................................... 722.2.7................................................................................ 73Les résistances et capacités séries2.2.7.1.Les résistances séries........................................................................................... 732.2.7.2.Les LDD.............................................................................................................. 732.2.7.3.Les capacités de recouvrement............................................................................ 743.Les effets physiques liés à la technologie SOI......................................................... 743.1.Les effets thermiques...................................................................................................... 743.2................................................................. 75Les effets liés au potentiel de substrat flottant3.2.1.L'effet‛‛kink” ............................................................................................................. 753.2.2.L'effet GIFBE ............................................................................................................. 773.2.3.L'effet transistor bipolaire parasite.............................................................................. 783.2.4.Les effets transitoires .................................................................................................. 793.2.5.Les MOSFET SOI à‛‛body” connecté ....................................................................... 804.Conclusion.................................................................................................................. 81Bibliographie ............................................................................................................... 82Chapitre II : Méthode de caractérisation microondes des MOSFET SOI ..............891-La réponse fréquentielle ........................................................................................... 891.1Le signal analogique micro-onde......................................................................................... 901.2Les moyens de mesures ....................................................................................................... 901.3Le calibrage ......................................................................................................................... 911.3.1SOLT ........................................................................................................................... 921.3.2TRL/LRM .................................................................................................................... 921.3.3Méthode de calibrage choisie et Précautions à prendre pour la mesure....................... 932-Extraction de paramètres......................................................................................... 942.1L'épluchage.......................................................................................................................... 952.2Correction des erreurs liées aux lignes d'accès.................................................................... 992.3Modélisation du MOSFET SOI......................................................................................... 1002.3.1Modélisation des éléments extrinsèques .................................................................... 1012.3.1.1Les capacités extrinsèques ................................................................................. 1012.3.1.2Les impédances séries........................................................................................ 1022.3.2Modélisation des éléments intrinsèques du MOSFET SOI partiellement déserté...... 1042.3.2.1Les admittances drain/source ............................................................................. 1052.3.2.1.1La conductance de sortie ............................................................................ 1062.3.2.1.2Les trans-admittances ................................................................................. 1072.3.2.2Les effets capacitifs............................................................................................ 1082.3.2.3La région de‛‛body” .......................................................................................... 1092.3.3Le substrat.................................................................................................................. 1102.3.4Les effets non quasi-statique...................................................................................... 1102.4L'extraction ........................................................................................................................1112.4.1Techniques d'ajustement de courbes.......................................................................... 1122.4.2Méthodes déterministes.............................................................................................. 1132.4.3Méthodes d'optimisation linéaire ............................................................................... 1142.4.3.1Étude du transistor‛‛froid” ................................................................................ 1142.4.3.2MOSFET en inversion forte etVds=0 V ............................................................. 1152.4.3.3Polarisation quelconque ..................................................................................... 1152.4.4Optimisation non linéaire........................................................................................... 1163-Performances micro-ondes des MOSFET SOI partiellement désertés 130 nm. 119
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SOMMAIRELe gain transducique....................................................................................... 119Le critère de stabilité....................................................................................... 119Le gain unilatéral ............................................................................................ 119Le gain disponible maximum.......................................................................... 119Fréquence de transition du gain en courant..................................................... 119Fréquence maximale d'oscillation................................................................... 1204-Conclusion................................................................................................................ 121Bibliographie ............................................................................................................. 122Chapitre III : Evaluation du bruit dans les MOSFET SOI.....................................1271-Le bruit électronique............................................................................................... 1271.1Modélisation des sources de bruit...................................................................................... 1281.1.1Circuit équivalent....................................................................................................... 1281.1.2Les sources de bruit globales ..................................................................................... 1291.2Les quatre paramètres de bruit........................................................................................... 1311.2.1Notion de figure de bruit............................................................................................ 1321.2.2Température de bruit.................................................................................................. 1341.2.3Sources de bruit & facteur de bruit ............................................................................ 1341.2.4Les quatre paramètres de bruit................................................................................... 1351.2.5Facteur de bruit et gain en puissance ......................................................................... 1371.3La mesure du bruit dans les micro-ondes .......................................................................... 1371.3.1Le banc de mesure ..................................................................................................... 1371.3.2Le calibrage................................................................................................................ 1401.3.3Les méthodes de mesure du bruit............................................................................... 1411.3.3.1Le facteur Y........................................................................................................ 1411.3.3.2La méthode F50................................................................................................... 1421.3.3.3La méthode‛‛cold source” ................................................................................. 1421.3.4Détails sur la méthode choisie ................................................................................... 1441.4Méthode d'extraction ......................................................................................................... 1462-Les sources de bruit intrinsèques........................................................................... 1472.1La couleur du bruit............................................................................................................. 147Les bruits blancs ............................................................................................. 147Les bruits colorés............................................................................................ 1482.2Les sources de bruit ........................................................................................................... 1482.2.1Le bruit thermique...................................................................................................... 1482.2.1.1Le bruit de diffusion........................................................................................... 1492.2.2................................................................................................... 150Le bruit de grenaille2.2.3Le bruit de génération-recombinaison........................................................................ 1522.2.4Le bruit de‛‛flicker” .................................................................................................. 1522.2.4.1Variation de la densité des porteurs.................................................................... 1532.2.4.2Variation de la mobilité...................................................................................... 1542.3Limite bruit BF/bruit micro-onde ...................................................................................... 1542.4Les modèles de bruit.......................................................................................................... 1552.4.1Le bruit dans le canal ................................................................................................. 1552.4.2Le bruit dans la grille ................................................................................................. 1582.4.3Corrélation entreSichetSigc....................................................................................... 1592.4.4Modèle de Van Der Ziel............................................................................................. 1592.4.4.1Le bruit vu à l'entrée du quadripôle.................................................................... 1602.4.4.2Le bruit vu à la sortie du quadripôle................................................................... 1613-Conclusion................................................................................................................ 162Bibliographie ............................................................................................................. 163Chapitre IV : Etude microondes des MOSFET SOI partiellement désertés..........1671-Les effets thermiques .............................................................................................. 1671.1Les sources thermiques...................................................................................................... 1681.2Modélisation de la température dans le MOSFET SOI ..................................................... 169
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SOMMAIRE1.2.1Impact de la température sur les paramètres physiques ............................................. 1691.2.2Méthode analogique pour l'extraction des paramètres thermiques............................. 1731.2.3La résistance thermique ............................................................................................. 1741.3Impact de la température sur les MOSFET SOI ................................................................ 1782-Les effets liés au potentiel flottant du‛‛body” ...................................................... 1822.1L'ionisation par impact ...................................................................................................... 1822.2L’effet‛‛kink” et transistor bipolaire parasite.................................................................... 1832.2.1L'effet‛‛kink” ............................................................................................................ 1832.2.2Effet bipolaire parasite............................................................................................... 1893-La résistivité du substrat ........................................................................................ 1923.1Intérêts de la haute résistivité............................................................................................. 1923.2Impact de la résistivité de substrat sur les performances micro-ondes .............................. 1933.3Impact de la résistivité du substrat sur les performances en bruit...................................... 1953.4199Conclusion .........................................................................................................................4-Conclusion du chapitre........................................................................................... 199Bibliographie ............................................................................................................. 200CONCLUSION............................................................................................................... 205Annexe I – Aspects mathématiques ...............................................................................i1............................................................................................................. iLa loi binomiale2.La loi normale............................................................................................................... i3........................................................................................................... iiLa loi de Poisson4.Éléments de traitement du signal...............................................................................ii5.La densité spectrale de puissance .............................................................................iiiAnnexe II – Notions de physique................................................................................. iv1.Rappels de physique................................................................................................... iv2.Transmission des ondes ............................................................................................. iv3.Paramètres physiques de matériaux.......................................................................... vAnnexe III – Les quadripôles....................................................................................... vi1.viiParamètres chaînes ...................................................................................................2............................................................................................ viiiParamètres impédances3.Paramètres admittances ............................................................................................ ix4.Paramètres hybrides ................................................................................................... x5.Paramètres S............................................................................................................... xiAnnexe IV – Les gains ................................................................................................xiiAnnexe V – Méthode de mesure du bruit ..................................................................xiiiAnnexe VI – Estimation de la température ..............................................................xvii1.Équations différentielles .........................................................................................xviiAnnexe VII – Méthode d'épluchage.......................................................................... xxiAnnexe VIII – Appareils de mesure ..........................................................................xxiAnnexe VIII – Appareils de mesure .........................................................................xxiiBibliographie ............................................................................................................xxiii
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