Etude et Modélisation de transistors bipolaires à hétérojonction SiGe. Application à la conception
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Introduction Générale Introduction générale Fort de l'expérience acquise dans l'évaluation du potentiel de dispositifs avancés compatibles avec les technologies CMOS et BiCMOS aux niveaux de la technologie et de la physique des composants, le Laboratoire Physique de la Matière (LPM) a décidé d'étendre ses relations avec l'industrie à la caractérisation et à la modélisation de transistors micro-ondes pour les applications radiocommunications. L'équipe radio-fréquence (RF), créée depuis 2000, s'appuie donc sur des savoir-faire en Micro-Nanoélectronique silicium et les développe dans certaines directions. Par exemple, l'étude en bruit basse fréquence, qui est nécessaire vis-à-vis de la fiabilité des dispositifs, est à prendre en compte dès le début, pour insérer ce "deuxième ordre" dans les modèles composants, radio-fréquences ou micro-ondes. En effet, les industriels, depuis quelques années, sont "demandeurs" de modèles compacts qui introduisent "plus de physique". L'ajustement "au tournevis" est devenu fastidieux, voire même rédhibitoire. Nous avons donc décidé d'orienter nos travaux de recherche au niveau de l'interface composant/circuit pour développer une méthodologie qui doit favoriser l'obtention de modèles compacts fiables utilisables en CAO, via l'expérimentation et les modélisations microscopiques, physiques et "device", que nous avons développées nous-mêmes, en complément de ...

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Introduction Générale
Introduction générale Fort de l'expérience acquise dans l'évaluation du potentiel de dispositifs avancés compatibles avec les technologies CMOS et BiCMOS aux niveaux de la technologie et de la physique des composants, le Laboratoire Physique de la Matière (LPM) a décidé d'étendre ses relations avec l'industrie à la caractérisation et à la modélisation de transistors microondes pour les applications radiocommunications. L'équipe radiofréquence (RF), créée depuis 2000, s'appuie donc sur des savoir faire en MicroNanoélectronique silicium et les développe dans certaines directions. Par exemple, l'étude en bruit basse fréquence, qui est nécessaire visàvis de la fiabilité des dispositifs, est à prendre en compte dès le début, pour insérer ce "deuxième ordre" dans les modèles composants, radio fréquences ou microondes. En effet, les industriels, depuis quelques années, sont "demandeurs" de modèles compacts qui introduisent "plus de physique". L'ajustement "au tournevis" est devenu fastidieux, voire même rédhibitoire. Nous avons donc décidé d'orienter nos travaux de recherche au niveau de l'interface composant/circuit pour développer une méthodologie qui doit favoriser l'obtention de modèles compacts fiables utilisables en CAO, via l'expérimentation et les modélisations microscopiques, physiques et "device", que nous avons développées nousmêmes, en complément de ceux disponibles dans les simulateurs commerciaux. Comme précédemment indiqué, les travaux de recherches entrepris depuis 3 ans par l'équipe RF du LPM, relèvent du domaine des radiocommunications et plus précisément des applications aux communications sans fil dont les fréquences s'étalent de 900 MHz à 6 GHz. Compte tenu de la part prépondérante des composants électroniques dans le prix des terminaux (GSM, DCS 1800, UMTS, WLAN, etc.), le marché des communications sans fil constitue pour les fabricants de composants un enjeu commercial majeur. La tendance actuelle consiste notamment à augmenter le niveau d'intégration et à diminuer la puissance consommée pour obtenir un terminal "bon marché" avec pour objectif l'augmentation de l'autonomie associée à des impératifs de mobilité. Un terminal est constitué principalement d'une partie numérique de contrôle et de traitement du signal et d'une interface radiofréquence. La partie digitale suit les progrès technologiques de l'intégration des circuits. La technologie CMOS ou BiCMOS répond généralement parfaitement aux spécifications techniques. En ce qui concerne les parties RF (parties dédiées à l'émission et à la réception des signaux), il n'y a pas de technologie dominante car les contraintes varient énormément suivant les systèmes et les circuits. Ceci dit, généralement les technologies intégrées hyperfréquences Silicium bipolaire s'appliquent préférentiellement aux mélangeurs, aux oscillateurs et à la partie fréquence intermédiaire (FI). Plus précisément, l'apparition du Transistor Bipolaire à Hétérojonction (TBH) sur silicium, à base SiGe, compatible avec une technologie BiCMOS, laisse entrevoir des potentialités prometteuses qui mèneront à une intégration plus poussée. Compte tenu des performances en bruit basse fréquence, les transistors bipolaires sont les meilleurs candidats pour la réalisation de fonctions à faible bruit de
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Introduction générale phase tels que les oscillateurs. N'oublions pas en effet que la qualité spectrale des sources microondes est le paramètre limitatif de la qualité des liaisons, puisque son bruit se superpose au signal utile (par un processus de modulation de phase ou de fréquence). Les performances d'un circuit hyperfréquence dépendent donc en grande partie des éléments actifs le constituant. De ce fait, le développement de tout système de radiocommunications exige de prendre un maximum de précautions dès la phase de conception et nécessite des modèles particulièrement fiables. Ce sont les raisons pour lesquelles notre ambition est d'acquérir un savoirfaire qui doit s'étendre idéalement de la caractérisation/modélisation de TBH SiGe à la conception/optimisation d'oscillateurs microondes. Le fil conducteur reste évidemment la problématique du bruit dans le composant actif. Notre manuscrit est composé de 4 parties portant successivement: sur le fonctionnement du transistor bipolaire ainsi que sur les aspect physiques et technologiques du TBH SiGe, sur la caractérisation et la modélisation du bruit basse fréquence dans ces composants, sur la modélisation fortsignal des TBH pour la CAO, et enfin sur la conception et l'optimisation d'un oscillateur contrôlé en tension (OCT) entièrement intégré et fonctionnant à 5 GHz. Ainsi, dans le premier chapitre, nous commençons par décrire le principe de fonctionnement du transistor bipolaire tout silicium et les limites de la technologie à homojonction pour la réalisation de composants microondes. Nous sommes alors amenés à discuter de l'impact de la présence de germanium dans la base sur les performances électriques du transistor bipolaire à hétérojonction ainsi formé. La description de la filière BiCMOS 6G 0.35µm de STMicroelectronics dont sont issus les TBH SiGe étudiés est finalement abordée. Le deuxième chapitre concerne l'analyse du bruit basse fréquence dans les TBH. Son importance est double puisqu'elle doit permettre, d'une part, de proposer des solutions technologiques afin de minimiser les diverses sources de bruit et, d'autre part, de concevoir un modèle performant en bruit BF du composant. Le banc de caractérisation nécessaire à cette analyse est largement détaillé vis àvis de son fonctionnement et de sa mise en œuvre. Il est basé sur l'utilisation de transimpédances. Enfin, cette partie se termine par la présentation du modèle de bruit BF du TBH implanté sous le 1 2 logiciel ADSAgilent. Il est issu des travaux effectués par le LAASdans le cadre du projet RNRT ARGOS Le troisième chapitre traite de la modélisation électrique, hyperfréquence des TBH SiGe étudiés. Nous décrivons et comparons trois modèles qui font généralement référence : deux modèles de GummelPoon modifiés et utilisés par le fondeur et le modèle non linéaire non quasistatique
1 Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes 2 Réseau National de Recherche en Télécommunications
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Introduction générale 3 développé par le laboratoire IRCOM. Les caractérisations statiques et dynamiques effectuées sur les TBH à notre disposition sont également présentées et commentées. Le dernier chapitre concerne l'étude et l'optimisation d'un oscillateur contrôlé en tension, entièrement intégré, et fonctionnant à la fréquence de 5 GHz. Il aborde tout d'abord le bruit de phase dans les oscillateurs, les modèles existants et les techniques d'analyse utilisées en CAO radiofréquence. L'OCT étudié est alors largement présenté. Initialement conçu dans le cadre du projet ARGOS par France Télécom R&D à partir des modèles de librairie du fondeur, il a fait ici l'objet d'une optimisation essentiellement en terme de bruit de phase, de puissance, de consommation et d'encombrement au niveau du layout, en intégrant le modèle électrique complet du TBH SiGe. Les résultats présentés et les améliorations proposées sont issues de simulations prédictives réalisées avec le logiciel de conception hyperfréquence ADSAgilent.
3 Institut de Recherche en COMmunications
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