Etude et Modélisation de transistors bipolaires à hétérojonction SiGe. Application à la conception

Raoult Jérémy

Description

Liste des figures LISTE DES FIGURES Chapitre I : Du Transistor Bipolaire Si au Transistor Bipolaire à Hétérojonction Si/SiGe Figure I.1 : Représentation simplifiée 1 D du transistor bipolaire npn Figure I.2 : Diagramme de bandes d’un transistor bipolaire à l’équilibre (diagramme de gauche) et en régime direct (diagramme de droite). Figure I.3 : Courants dans un transistor bipolaire en régime direct Figure I.4 : Caractéristique de sortie d’un transistor bipolaire montrant l’effet de la modulation de la largeur de base. Figure I.5 : Représentation schématique d’un transistor bipolaire avec les différentes résistances associées Figure I.6 : Variation de la fréquence de transition en fonction du courant collecteur Figure I-7 : Diagrammes de bandes d’un transistor BJT Si (en pointillés) et d’un TBH SiGe (10% de Ge dans la base) (traits pleins) Figure I.8 : Profils de germanium dans la base Figure I.9 : Vue en coupe d’un TBH SiGe en technologie BICMOS6G de STMicroelectronics Chapitre II : Bruit basse fréquence Figure II.1 : Spectre de bruit télégraphique à deux niveaux Figure II.2 : Représentation de la chaîne de mesure de bruit RTS Figure II.3 : Courbes de Gummel d’un transistor SiGe 0.4 ×µm ×25.6µm Figure II.4 : Composante de bruit télégraphique observée à la jonction EB, V =0.56 V, T=300 K BEFigure II.5 : Densité spectrale de puissance du courant à la jonction EB, VBEFigure II.6 : (a) représentation chaîne, (b) représentation parallèle ...

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Liste des figures LISTE DES FIGURES Chapitre I: Du Transistor Bipolaire Si au Transistor Bipolaire à Hétérojonction Si/SiGe Figure I.1: Représentation simplifiée 1 D du transistor bipolaire npn Figure I.2: Diagramme de bandes d’un transistor bipolaire à l’équilibre (diagramme de gauche) et en régime direct (diagramme de droite). Figure I.3: Courants dans un transistor bipolaire en régime direct Figure I.4: Caractéristique de sortie d’un transistor bipolaire montrant l’effet de la modulation de la largeur de base. Figure I.5: Représentation schématique d’un transistor bipolaire avec les différentes résistances associées Figure I.6: Variation de la fréquence de transition en fonction du courant collecteur Figure I7: Diagrammes de bandes d’un transistor BJT Si (en pointillés) et d’un TBH SiGe (10% de Ge dans la base) (traits pleins) Figure I.8: Profils de germanium dans la base Figure I.9: Vue en coupe d’un TBH SiGe en technologie BICMOS6G de STMicroelectronics Chapitre II : Bruit basse fréquence Figure II.1: Spectre de bruit télégraphique à deux niveaux Figure II.2: Représentation de la chaîne de mesure de bruit RTS Figure II.3: Courbes de Gummel d’un transistor SiGe 0.4×µm×25.6µm Figure II.4: Composante de bruit télégraphique observée à la jonction EB, V BE =0.56 V, T=300 K Figure II.5: Densité spectrale de puissance du courant à la jonction EB, V BE =0.56 V, T=300 K Figure II.6: (a) représentation chaîne, (b) représentation parallèle Figure II.7: Banc de mesure du bruit BF Figure II.8: Densités spectrales de bruit en courant de différentes résistances mesurées à l’entrée du transimpédance

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Figure II.9: Sources de bruit de l’amplificateur transimpédance Figure II.10: Schéma équivalent petits signaux du banc de mesure de bruit BF pour la détermination du courant de bruit côté base i B Figure II.11: Schéma équivalent petits signaux du banc de mesure de bruit BF pour la détermination du courant de bruit côté collecteur i C Figure II.12: Mesure de référence au collecteur du transistor étudié Figure II.13: Mesures de densités spectrales de bruit en courant au collecteur sur des TBH SiGe au même point de polarisation Figure II.14: Circuit amplificateur tampon en configuration base commune Figure II.15: Représentation des sources de bruit en courant de l’étage tampon Figure II.16: Densités spectrales de bruit en courant d’une diode mesurées avec l’étage tampon + le transimpédance Figure II.17: Banc de mesure d’impédance d’entrée Z E des transistors bipolaires Figure II.18: Densités spectrales de bruit en courant de plusieurs résistances placées à l’entrée de l’étage tampon + le transimpédance Figure II.19: Densités spectrales de bruit en courant mesurées avec un circuit ouvert à l’entrée du Transimpédance et de l’Etage tampon+Transimpédance Figure II.20: Mesures de densités spectrales de bruit en courant au collecteur réalisées dans trois configurations différentes: mesure directe, mesure avec transimpédance côté base seul, mesure avec étage tampon+transimpédance côté base sur un transistor bipolaire de test au point de polarisation : I B =40 µA et V CE =2V Figure II.21: Densité spectrale de bruit en tension de l’étage tampon dans nos conditions de polarisation (I C0 =1 mA) avec et sans transimpédance côté base Figure II.22: Mesures de densités spectrales de bruit en courant S IC sur un transistor bipolaire SiGe pour une même polarisation Figure II.23: Positionnement du transformateur dans la chaîne de mesure Figure II.24: Problème de la boucle de masse (entoure la partie hachurée) Figure II.25: Disposition en étoile des éléments du banc Figure II.26: Mesures de densités spectrales de bruit en courant S IC  sur un transistor bipolaire SiGe pour une même polarisation Figure II.27: Représentation du bruit en courant i B du transistor vu par l’étage tampon Figure II.28: Banc de mesure final pour la mesure du bruit BF Figure II.29: Support de test utilisé et son boîtier Figure II.30: Mesure des densités spectrales de bruit sur la base S IB , sur le collecteur S IC sur un TBH SiGe (2×0.4µm×60µm) polarisé à I B = 40 µA et V CE =1 V Figure II.31: Mesures du spectre croisé S IBIC*  etdu coefficient de corrélation C’cor entre les deux sources (S IB , S IC ) sur un TBH SiGe (2×0.4µm×60µm) polarisé à I B = 40 µA et V CE =1 V

Liste des figures Figure II.32: Modèle de bruit BF de type SPICE Figure II.33: Modèle de bruit BF utilisé Figure II.34: Comparaison des différentes densités spectrales de bruit BF (S V S , I  ,S VI* R , COR ) mesurées et simulées pour le transistor 2T polarisé à I B =40 µA et V CE =1 V Chapitre III : Modélisation électrique du Transistor Bipolaire à Hétérojonction

Figure III.1: Modèle d’EbersMoll du transistor bipolaire

Figure III.2: Modèle statique de GummelPoon Figure III.3: Modèle statique de GummelPoon modifié Figure III.4: Modèle fort signal du transistor bipolaire Figure III.5: Modèle GummelPoon type SPICE amélioré pour les simulations hyperfréquence Figure III.6: Modèle extrinsèque du TBH Figure III.7: Schéma simplifié d'un pont thermique sur un TBH à trois doigts d’émetteur Figure III.8: Modèle intrinsèque petit signal quasistatique en T d’un TBH Figure III.9: Modèle basé sur la partition de la charge stockée dans la base Figure III.10: Modèle intrinsèque petit signal non quasi statique enΠdu TBH Figure III.11: Modèle non linéaire non quasi statique du TBH Figure III.12: Banc de caractérisation statique des transistors Figure III.13: Caractéristiques IV du TBH 3T : (3×0.4µm×60µm) à T=300 K Figure III.14: Courbes de Gummel du TBH 0.4µm×25.6µm à T=300 K Figure III.15: Mesure du gain statiqueβen mode direct pour le TBH 3T à T=300 K Figure III.16: Différences entre les plans de mesure et du dispositif suite à un calibrage de structure coaxiale type SOLT Figure III.17: Standards de calibrage TRL utilisés Figure III.18: Représentation des différents motifs permettant la mesure des paramètres [S] du transistor seul Figure III.19: Mesure des paramètres [S] et des gains du transistor 3T : 3×0.4µm×60µm, I B =150 µA V CE =1.5 V Figure III.20: Evolution de f T de f et MAX le courant au collecteur I avec C  pourle transistor 3T à V CE =1.5 V Figure III.21: Banc de mesure de puissance de transistor Figure III.22: Mesure de puissance de sortie en fonction de la puissance d’entrée du TBH 2T (2*0.4µm*60µm) à T=300 K

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Figure III.23: Exemple de SDD utilisé par ADS Figure III.24: Courbes de Gummel des deux modèles de GummelPoon modifiés pour le TBH 3T à T=300 K 2 Figure III.25: Gain en courant dynamique |H 21 | etGain de Mason G MASON  simulésavec les trois modèles considérés pour le TBH 3T à I B =70 µA et V CE =1.5 V Figure III.26: Comparaison mesuressimulations de la puissance de sortie enfonction de la puissance d’entrée injectée pour un TBH 3T à V CE = 1.5 V et à une fréquence de 5 GHz Figure III.27: Simulations du Gain en Puissance des trois modèles pour un TBH 3T à I B =70 µA , V CE =1.5 V et à une fréquence de 5 GHz Chapitre IV : Etude d’un Oscillateur Contrôlé en Tension (OCT) MMIC à base de TBH Si/SiGe

Figure IV.1: Schéma de principe d’un oscillateur à contreréaction parallèle

Figure IV.2: Schéma de principe de l’oscillateur en réflexion Figure IV.3: Spectre idéal et réel d’un oscillateur Figure IV.4: Phénomène de transposition du bruit basse fréquence autour de la fréquence d’oscillation Figure IV.5: Représentation du spectre de l’oscillateur Figure IV.6: Description qualitative des processus de conversion dans un oscillateur Figure IV.7: Spectre de bruit de phase typique pour un oscillateur microonde Figure IV.8: Modulation de la porteuse par le bruit Figure IV.9: Diagramme bloc d’un oscillateur harmonique avec un bruit additif V n Figure IV.10: Réponse impulsionnelle de la phase d’un oscillateur Figure IV.11: Modèle de conversion de bruit en bruit de phase en tenant compte uniquement du bruit dans la bande latérale supérieure Figure IV.12: Exemple de forme d’onde du courant collecteur et de sa source de bruit cyclostationnaire associée Figure IV.13: Schéma électrique de l’OCT Figure IV.14: Représentation équivalente de l’OCT différentielle Figure IV.15: Evolution de la phase du gain de boucle (GB) fort signal en fonction de niveaux de tension injectés dans la boucle Figure IV.16: Evolution du module du gain de boucle (GB) fort signal en fonction de niveaux de tension injectés dans la boucle

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Figure IV.17: Source de courant I POLAR Figure IV.18: Bruit de phase à 100 kHz de la porteuse dû à la conversion des sources de bruit de la paire différentielle en fonction du rapport de capacité, à courant de polarisation constant Figure IV.19: Bruit de phase à 100 kHz de la porteuse dû à la conversion des sources de bruit de la paire différentielle en fonction du courant de polarisation et à rapport de capacités constant Figure IV.20: Différents chemins du courant aux harmoniques paires ou impaires Figure IV.21: Représentation spectrale du courant d’émetteur d’un transistor de la paire différentielle Figure IV.22: Représentation spectrale du courant collecteur du transistor du miroir de courant T3 Figure IV.23:Technique de filtrage du bruit de la source de courant Figure IV.24: Filtrage du bruit de la source de courant utilisant une self en parallèle avec une capacité Figure IV.25: Evolution du bruit de phase à 100 kHz de la porteuse en fonction de la self Figure IV.26: Evolution de la réjection d’harmonique 2 en fonction de la self Figure IV.27: Evolution de la fréquence d’oscillation avec le courant de polarisation de la paire différentielle Figure IV.28: Contribution d’une source de bruit placée sur la source de courant au bruit de phase de l’oscillateur en fonction du courant de polarisation Figure IV.29: Etage tampon de sortie de l’oscillateur Figure IV.30: Variation du facteur de pulling avec le courant de polarisation de l’étage tampon Figure IV.31: Evolution de la puissance de sortie de l’étage tampon avec son courant de polarisation Figure IV.32: Variation de la puissance de sortie avec la tension de commande de l’oscillateur Figure IV.33: Evolution de la fréquence centrale f 0 de l’OCT en fonction de la capacité de liaison C L1 Figure IV.34: Filtre de sortie de l’étage tampon Figure IV.35: Réjection d’harmonique 2 en fonction de la tension de commande de l’OCT avec ou sans filtre Figure IV.36: Etage tampon constitué d’un montage amplificateur en configuration émetteur commun Figure IV.37: Variation du facteur de pulling avec le courant de polarisation de l’étage tampon Figure IV.38: Variation de la puissance de sortie avec la tension de commande de l’oscillateur Figure IV.39: Evolution de la fréquence centrale f 0 de l’OCT en fonction de la capacité de liaison C L1 Figure IV.40: Spectres du bruit de phase et de la puissance du signal de sortie de l’OCT suivant la tension de commande V COM : émetteur commun et émetteur etles étages tampons suiveur Figure IV.41: Layout de l’OCT