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

Raoult Jérémy

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Conclusion Générale - 192 - Conclusion Générale Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la conception en technologie silicium d'oscillateurs locaux pour les applications radiofréquences. Via d’une part l'étude et la modélisation de transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe de la filière BiCMOS 6G 0.35 µm de STMicroelectronics, et d'autre part l'optimisation d'un oscillateur contrôlé en tension fonctionnant à 5 GHz, ce travail est essentiellement axé sur l'étude des phénomènes de bruit électrique basse fréquence de TBH et sur leur impact pour la conception d’oscillateurs micro-ondes intégrés. Après avoir rappelé le principe de fonctionnement des transistors bipolaires et donné ses principales caractéristiques électriques physiques, nous avons présenté dans le premier chapitre les spécificités technologiques et les performances des TBH SiGe de la filière BiCMOS 6G 0.35 µm de STMicroelectronics. Dans le second chapitre, nous nous sommes intéressés à la caractérisation et à la modélisation du bruit basse fréquence dans les transistors bipolaires. Après avoir abordé les différentes techniques existantes de mesure de bruit BF, nous nous sommes focalisés sur la mesure des sources de bruit équivalentes de la représentation parallèle, S et S , permettant une caractérisation complète et IB ICphysique des dispositifs bipolaires. Nous avons présenté en détail le banc de ...

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Conclusion Générale

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Conclusion Générale

Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la conception en technologie silicium d'oscillateurs locaux pour les applications radiofréquences. Via d’une part l'étude et la modélisation de transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe de la filière BiCMOS 6G 0.35 µm de STMicroelectronics, et d'autre part l'optimisation d'un oscillateur contrôlé en tension fonctionnant à 5 GHz, ce travail est essentiellement axé sur l'étude des phénomènes de bruit électrique basse fréquence de TBH et sur leur impact pour la conception d’oscillateurs microondes intégrés. Après avoir rappelé le principe de fonctionnement des transistors bipolaires et donné ses principales caractéristiques électriques physiques, nous avons présenté dans le premier chapitre les spécificités technologiques et les performances des TBH SiGe de la filière BiCMOS 6G 0.35µm de STMicroelectronics. Dans le second chapitre, nous nous sommes intéressés à la caractérisation et à la modélisation du bruit basse fréquence dans les transistors bipolaires. Après avoir abordé les différentes techniques existantes de mesure de bruit BF, nous nous sommes focalisés sur la mesure des sources de bruit équivalentes de la représentation parallèle, S IB S et IC , permettant une caractérisation complète et physique des dispositifs bipolaires. Nous avons présenté en détail le banc de test développé au Laboratoire de Physique de la Matière, ainsi que les précautions à prendre pour sa mise en œuvre. La comparaison des mesures réalisées au laboratoire avec celles effectuées, sur les mêmes composants, dans le cadre du projet RNRT ARGOS ont permis de valider notre travail. Enfin, nous avons présenté le modèle en bruit BF retenu pour nos études. Basée sur les travaux de Kirtania et Borgarino, cette modélisation aide efficacement à l'identification des origines physiques des différentes sources de bruit. Le troisième chapitre traite de la modélisation électrique de transistors bipolaires à hétérojonction. Nous avons entrepris une étude comparative entre les deux principaux modèles de TBH établis par le fondeur pour la filière BiCMOS 6G dédiés à la CAO de circuits RF et le modèle non linéaire, non quasistatique et hyperfréquence élaboré par l'IRCOM. Il est apparu clairement que ce dernier était plus complet et plus fiable notamment pour décrire le comportement des TBH aux hautes fréquences et pour de forts signaux. Nous l'avons alors retenu pour la suite de nos travaux. Le dernier chapitre de ce mémoire est dédié à l'étude et à l'optimisation d'un oscillateur contrôlé en tension à base de TBH SiGe fonctionnant à 5 GHz. Entièrement intégré, l'OCT est basé sur une structure différentielle à paire de transistors et un résonateur LC. Dans le cadre du projet ARGOS, le travail de conception initial a été effectué uniquement avec le modèle de TBH du fondeur. Notre travail a donc tout d'abord consisté à implanter, dans la structure de l'oscillateur, le modèle fortsignal complet du TBH SiGe, c'estàdire intégrant d'une part les aspects non linéaires non quasistatiques et hyperfréquences des composants étudiés, et d'autre part les sources de bruit basse fréquence localisées dans la structure. L'optimisation des courants de polarisation de l'OCT et de l'étage tampon ainsi qu'un choix judicieux des valeurs de composants constituant le circuit ont permis de satisfaire au cahier des charges fixé par Alcatel en termes defréquence centrale, bande passante, bruit de phase, puissance du

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fondamental, réjection d'harmoniques 2 et 3, consommation. Ce travail a permis d'améliorer les performances de la version initiale, tout en tenant compte de la nécessité d'un encombrement de la puce le plus réduit possible. Cependant, ce travail d'optimisation n'est basé que sur des simulations prédictives. Il nécessite alors, pour être validé, que le circuit soit réalisé et testé. En conséquence, les perspectives de notre travail devront tout d'abord s'axer sur la modification du layout de la puce d'origine. Rigoureusement, plusieursrunsdevront être lancés pour plusieurs jeux de paramètres tels que les capacités de contreréaction ou l'inductance intégrée au niveau de la source de courant de l'oscillateur. Des comparaisonssimulations–mesures enbruit de phase et en puissance devront être également effectuées en fonction des courant de polarisation du VCO et de l'étage tampon. Pour le LPM, l'objectif de cette thèse était d'acquérir de bonnes connaissances scientifiques et techniques sur l'interfacecomposants/circuits RF. Les travaux entrepris ont permis d'aborder les domaines de compétences suivants :  Lamodélisation et la caractérisation en bruit basse fréquence de transistors bipolaires ;  Lamodélisation hyperfréquence de transistors microondes et les principales techniques de caractérisation et d'extraction nécessaires à l'élaboration de modèles ;  Lestechniques de simulations et les outils de CAO (ADSAgilent et Cadence) appliqués à la conception de circuits radiofréquences ;  Lathéorie et la modélisation du bruit de phase dans les oscillateurs et les phénomènes de conversion du bruit BF du composant autour de la porteuse microonde ;  Les deux principales méthodes d'analyse du bruit de phase utilisées dans la plupart des simulateurs de circuits : la méthode quasistatique et la méthode paramétrique. Nous avons développé, en complément des bancs de caractérisation de centres profonds, DLTS en courant et capacitive et bruit RTS, un banc de caractérisation en bruit BF dédié aux transistors bipolaires, qui contribue à l'étude physique des défauts mais également à leur localisation dans le composant actif et à leur modélisation pour les applications à la conception de circuit. Par ailleurs, des bancs de caractérisation statiques IV et en puissance Ps(Pe) sont aujourd'hui opérationnels au laboratoire pour les transistors microondes montés en boîtier. Enfin, un banc de mesures hyperfréquences 20 GHz ainsi qu'un banc de caractérisation en bruit de phase d'oscillateur microondes (120 GHz), basé sur la technique du discriminateur à ligne à retard, sont en cours de développement au laboratoire. Comme nous l'avions indiqué en introduction, depuis de nombreuses années, les recherches technologiques et en physique des composants sont les bases des travaux effectués au sein du laboratoire. Elles requièrent aujourd’hui une bonne connaissance de la problématique

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process/composant/circuit afin de proposer des modèles compacts physiques et fiables utilisables en CAO. Le travail présenté dans ce mémoire est, au final, une contribution à cette problématique scientifique.

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