CARACTÉRISATION ET MODÉLISATION DU BRUIT BASSE FRÉQUENCE DES COMPOSANTS BIPOLAIRES

CARACTÉRISATION ET MODÉLISATION DU BRUIT
BASSE FRÉQUENCE DES COMPOSANTS BIPOLAIRES

Techniques des impédances multiples

Dispositif expérimental pour les TECs

La Figure 7 illustre le dispositif de mesure de bruit (e,i) utilisé pour les TECs montés en configuration source commune. En fait, sur les TECs aux basses fréquences, le générateur i est en général tout à fait négligeable par rapport à e et nous utilisons donc ce dispositif pour mesurer essentiellement e. Un ensemble de résistances à couches métalliques et de condensateurs de découplage C1, C2, C3 et C4 permet de réaliser un réseau de polarisation réglable manuellement et alimenté par des accumulateurs afin de minimiser la présence des harmoniques dus au réseau EDF. Nous avons polarisé le DST en tension sur la grille et en tension/courant sur le drain. Pour éviter les problèmes d’oscillation, nous avons utilisé sur la grille et sur le drain des tés de polarisation convenablement choisis afin de récupérer le bruit à mesurer jusqu’à 100 kHz sur leurs accès continus (DC), leurs accès RF étant chargés sur 50 Ω. Enfin, afin de prévenir au maximum des perturbations extérieures, tout le système se trouve dans une cage de Faraday. Figure 7 : Schéma du dispositif expérimental de mesure en chaîne du bruit BF des TECs. La mesure du bruit en sortie s’effectue par l’intermédiaire d’un analyseur de spectre à transformée de Fourier rapide (Fast Fourier Transform FFT) de type TAKEDA qui donne directement la puissance de bruit en sortie du composant dans une bande de 1 Hz. Cet analyseur présente en outre l’avantage de disposer de deux entrées et d’autoriser ainsi les opérations mathématiques sur les signaux d’une entrée par rapport à l’autre. Nous pouvons aussi, mesurer la fonction de transfert du DST en utilisant une source de bruit BF représentée par GB sur le schéma. Pour mesurer de très faibles bruits, par exemple lors de la mesure du bruit BF de composants polarisés en régime ohmique c’est-à-dire n’ayant pas de gain, nous avons utilisé un amplificateur LNA très faible bruit (1 nV/√Hz typique) intercalé entre la sortie du composant et l’entrée de l’analyseur de spectre et qui a pour rôle de relever le niveau de bruit au dessus du plancher de l’analyseur de spectre.

Méthode de mesure

La mesure de e s’effectue en deux étapes, la grille du composant étant fermée sur une impédance BF constante de 50 Ω sur toutes les fréquences de mesure. Premièrement, nous déterminons la fonction de transfert du système G’(f) en fonction de la fréquence, le commutateur SW de la Figure 7 étant en position 1 de la deuxième étape, lorsque la position de SW est en 2, nous mesurons la puissance de bruit en sortie du composant notée Bs (f), cette dernière étant corrigée du bruit de la chaîne de mesure, c’est-à-dire en pratique du bruit en tension du préamplificateur, dans une bande de 1 Hz autour de la fréquence d’analyse. Alors, nous pouvons exprimer la densité spectrale associée au générateur de bruit en tension en V²/Hz . Nous rappelons que les mesures ont été effectuées typiquement dans une gamme de fréquence allant de 100Hz à 100kHz. Lorsque le composant présente des phénomènes de dispersion fréquentielle à ces fréquences, ils sont automatiquement pris en compte lors de la mesure de G’(f) et n’entraînent de ce fait aucune perturbation dans l’acquisition du bruit. Nous allons maintenant décrire le dispositif expérimental et la technique de mesure que nous avons utilisés pour la caractérisation en bruit BF des TBHs sur SiGe.

Dispositif expérimental pour les TBHs

La figure ci-dessous représente le schéma bloc du banc de mesure du bruit BF pour les composants bipolaires. La différence avec le montage précédent réside dans l’utilisation d’une source de courant IB (faible bruit) pour polariser la base des transistors et d’un commutateur de résistances Rsi (i= 1 à 10) qui permet de présenter plusieurs valeurs d’impédances BF à l’entrée du transistor afin de déterminer ses paramètres de bruit. Figure 8 : Schéma du dispositif expérimental de mesure en chaîne du bruit BF des TBHs. Les composants sont testés en configuration émetteur commun. De ce fait, ils sont polarisés en tension sur la jonction collecteur émetteur et en courant sur la jonction base émetteur. Le composant est toujours polarisé par l’intermédiaire respectivement de sources de tension et de courant réalisées à base d’accumulateurs afin de minimiser les perturbations liées au réseau EDF. Nous allons maintenant décrire la méthodologie de mesure des sources (e,i) de bruit BF et de leur corrélation pour un transistor de type TBH.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre I Généralités sur le Bruit Basse Fréquence
I. Introduction
II. Généralités sur le bruit basse fréquence
II.1. Définition
II.2. Formalisme Mathématique
II.3. Sources de bruit
II.3.1. Sources de bruit « irréductibles »
II.3.1.1. Bruit thermique
II.3.1.2. Bruit de Diffusion
II.3.1.3. Bruit de Grenaille
II.3.2. Sources de bruit en excès « dites réductibles »
II.3.2.1. Bruit de Génération Recombinaison (GR)
II.3.2.2. Bruit en 1/f
II.4. Décomposition d’un spectre en différentes composantes
III. Modélisation du bruit dans un quadripôle
III.1. Modèle appliqué au transistor à effet de champ
III.1.1. Sources externes liées aux régions d’accès
III.1.2. Sources internes
III.1.3. Source interne de drain
III.1.4. Source interne de grille
III.2. Modèle appliqué au transistor bipolaire
IV. Description des bancs de mesure du bruit basse fréquence
IV.1. Banc de caractérisation statique
IV.2. Bancs de caractérisation en bruit basse fréquence
IV.2.1. Techniques des impédances multiples
IV.2.1.1. Dispositif expérimental pour les TECs
IV.2.1.2. Méthode de mesure
IV.2.1.3. Dispositif expérimental pour les TBHs
IV.2.1.4. Méthode de Mesure
IV.2.2. Technique directe
IV.2.2.1. Dispositif expérimental
IV.2.2.2. Méthode de mesure
V. Conclusion
VI. REFERENCES du CHAPITRE I
Chapitre II Etude de Bruit Basse Fréquence dans les Transistors à
Effet de Champ à base de SiGe
I. Introduction
II. Le transistor HEMT
II.1. Généralités
II.1.1. Rappels sur le fonctionnement des transistors HEMT
II.1.2. L’hétérojonction et le gaz bidimensionnel d’électrons
III. Le transistor HEMT SiGe
III.1. Présentation des composants étudiés
III.2. Caractérisation et modélisation électrique simplifiée du HEMT SiGe en
régime statique
III.2.1. Equation du courant de drain
III.2.1.1. Fonctionnement linéaire
III.2.1.2. Régime de saturation du courant
III.2.2. La pente et la tension de seuil
III.2.2.1. L’effet des résistances d’accès
III.2.3. Le courant de grille
IV. Étude du bruit BF
IV.1. Le bruit associé au courant du drain
IV.1.1. Analyse en régime ohmique
IV.1.1.1. Théorie de base
IV.1.1.2. Résultats expérimentaux en fonction de ID et VDS
IV.1.1.2.1. Les spectres de bruit
IV.1.1.2.2. Dépendance de l’amplitude du bruit avec le courant ID
IV.1.1.2.3. Dépendance de l’amplitude du bruit avec la tension VGS
IV.1.2. Analyse en régime saturé
IV.1.3. Influence de la largeur et de la longueur de la grille sur SID
IV.1.4. Comparaison des caractéristiques de bruit en 1/f du MODFET SiGe
par rapport à des MODFETs conventionnels
IV.2. Le bruit associé au courant du grille
IV.2.1. Résultats expérimentaux en fonction du courant de grille
IV.2.2. Résultats expérimentaux en fonction de la longueur de la grille
IV.3. La cohérence entre les bruits de la grille et du drain
V. Bruit de phase résiduel
V.1. Description du banc de bruit de phase des quadripôles
V.2. Résultats de mesure
VI. Conclusion
VII. REFERENCES du CHAPITRE II
Chapitre III Etude de Bruit Basse Fréquence dans les Transistors à
Effet de champ à Base de GaN
I. Introduction
II. Généralités sur le GaN
II.1. Propriétés physiques
II.1.1. Structure cristalline
II.1.2. Propriétés thermiques
II.1.3. Propriétés électriques
III. Présentation des HEMTs GaN
III.1. Composants sur saphir
III.2. Composants sur silicium
IV. Caractéristiques statiques
IV.1. Composants sur saphir
IV.1.1. Réseau direct
IV.1.2. La transconductance
IV.2. Composants sur silicium
IV.2.1. Réseau direct et transconductance
IV.2.2. Courant de grille
V. Etude du bruit BF
V.1. Densité spectrale en courant
V.2. Densité spectrale en tension et quelques vérifications
V.3. Le bruit associé au courant de drain
V.3.1. Analyse du bruit BF en régime ohmique
V.3.1.1. Etude de SID en fonction de VGS
V.3.1.2. Coefficient de Hooge
V.3.1.3. Etude de SID en fonction de VDS
V.3.2. Analyse du bruit BF en régime saturé
V.3.3. Evolution du bruit en fonction de la géométrie
V.4. Le bruit associé au courant de grille
V.4.1. Etude de SIG en fonction de VGS
V.4.2. Etude de SIG en fonction de IG
V.5. La résistance optimale
V.6. Cohérence
VI. Conclusion
VII. REFERENCES du CHAPITRE III
Chapitre IV Les propriétés en bruit Basse Fréquence des Transistors
Bipolaires à Hétérojonction à base de SiGe
I. Introduction
II. Rappels sur le transistor bipolaire
II.1. L’efficacité d’injection
II.2. Le facteur de transport dans la base
II.3. Facteur de multiplication M des porteurs dans la jonction base-collecteur .
II.4. Gain en courant en émetteur commun
III. Le transistor bipolaire à hétérojonction TBH à base de SiGe
III.1. Description de la Technologie SiGe
III.2. Les composants Bipolaires Si/SiGe
III.2.1. Le TBH « Graduel »
III.2.2. Le TBH « Abrupt »
III.3. Description des composants caractérisés
IV. Caractéristiques statiques
IV.1. Réseau de sortie
IV.2. Tracé de GUMMEL en régime direct
V. Bruit Basse Fréquence
V.1. Influence de la polarisation
V.1.1. Côté Base
V.1.2. Côté Collecteur
V.1.3. Discussion des résultats
V.2. Influence du taux de Germanium
V.3. Influence de l’aire de l’émetteur
V.4. Conclusion sur le modèle électrique en bruit BF du TBH
VI. Les composants d’ATMEL
VI.1. Description des composants
VI.2. Impact d’un dépôt de BCB (BenzoCycloButène)
VI.2.1. Effet sur les caractéristiques statiques
VI.2.2. Effet sur le tracé de Gummel en régime direct
VI.2.3. Effet sur les caractéristiques en bruit BF
VI.3. Influence de l’étape de recuit à différentes températures
VI.3.1. Impact du stress thermique sur les caractéristiques statiques
VI.3.2. Impact du stress thermique sur le tracé de Gummel direct
VI.3.3. Impact des stress thermiques sur les caractéristiques en Bruit BF
VI.4. Impact du micro-usinage de volume du substrat silicium
VI.4.1. Impact du micro-usinage de volume sur le réseau direct
VI.4.2. Impact du micro-usinage de volume sur le tracé de Gummel
VI.4.3. Impact du micro-usinage de volume sur les caractéristiques en bruit BF
VII. Conclusion
VIII. REFERENCES du CHAPITRE IV
CONCLUSION GÉNÉRALE
ANNEXES
LISTE DES PUBLICATIONS