Caractérisation et modélisation de transistor bipolaire à double hétérojonction (TBdH) sur InP pour la conception de circuits à haut débit

par Miloud Abboun

Thèse de doctorat en Sciences appliquées. Électronique

Sous la direction de Robert Adde.

Soutenue en 2003

à Paris 11 .


  • Résumé

    Les avancées dans les systèmes de communication et de traitement de l'information nécessitent des circuits à haut débit qui doivent s'appuyer sur des transistors aux performances en vitesse et en puissance élevées. Les Transistors Bipolaires à Hétérojonction (TBH) III-V constituent un bon compromis. Le TBH-InP est l'un d'entre eux. Il convient d'autant mieux pour le développement de systèmes de télécommunications à des débits supérieurs à 60 Gbits/s que sa technologie permet l'intégration de composants optoélectroniques de longueur d'onde comprise entre 1,3 mM et 1,55 mM. Le regain d'intérêt pour ces technologies a mis en lumière les problèmes et les contraintes liés à la modélisation compacte. Le travail présenté s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le CNET Bagneux/OPTO+ et l'IEF. Il a pour objet l'étude expérimentale et la modélisation électrique des TBDH-InP. Quatre technologies auto-alignées qui diffèrent par la nature du dopage de base (béryllium ou carbone) et par la présence d'un gradient d'indium dans la base ont été étudiées. Pour chaque technologie un grand nombre de dispositifs a été analysé et une masse importante de données expérimentales a permis d'obtenir les paramètres du modèle de Gummel-Poon de ces composants. Ces modèles ont ensuite été utilisés par les concepteurs de circuits intégrés d'OPTO+ pour réaliser des circuits pour la logique "haut débit" (multiplexeur, circuit de décision, bascule D, driver,. . . ). La volumineuse base de données a également permis d'étudier l'auto-échauffement dans les TBH-InP d'abord par une approche expérimentale puis par une modélisation numérique de l'équation de Fourier. Le travail de modélisation a permis de dégager des pistes pour réduire l'auto-échauffement. Pour mieux cerner le fonctionnement physique des TBH, une analyse expérimentale à température variable a été réalisée sur une des quatre technologies. Enfin, une analyse de sensibilité des paramètres du modèle de Gummel-Poon à 300K sur le temps de commutation des paires différentielles (technologie CML/ECL) a été effectuée: -Le temps de retard t(FF) et le temps de charge R(BB),C(jC) sont les deux contributions intrinsèques les plus importantes, -L'extraction de certains paramètres du modèle est imprécise (C(jE), Rc entre autre) et se répercute sur le t(FF) on perçoit la nécessité de développer des approches fiables pour extraire ces éléments.


  • Résumé

    The progress in data processing communication systems require circuits with high data rate which are based on high speed transistors with high power. III-V Bipolar Heterojunction Transistors (HBTs) constitute a good trade-off, and more particularly InP based -HBTs. These device are well suited for the development of telecommunications systems with data rates higher than 60 Gbits/s, moreover this technology allows the integration of optoelectronic devices with wavelength ranging between 1,3 mM and 1,55 mM. The renewed interest for these technologies underlines the problems and the constraints related to compact modeling. The work was developed under the frame of a tight collaboration between the CNET Bagneux/OPTO+ and the IEF. The aim of this thesis is the experimental study and the electrical modeling of InP-DHBT. Four self-aligned technologies which differ by the nature of base doping (beryllium or carbon) and by the presence of an indium gradient in the base were studied. For each technology a large number of devices were analyzed and an important mass of experimental data made it possible to obtain the parameters of the model of Gummel-Poon for such devices. These models were then used by circuit designers at OPTO+ for the conception of logic circuits with high debit (multiplexer, circuit of decision, rock-D, driver. . . ). The large data base also made it possible to study the influence of self-heating effects in InP-HBT by an experimental point of view and then by a numerical modeling of Fourier equation. Simulation results allows to find the pathways to reduce self-heating effects in the studied devices. For a better understanding of the physics governing the HBT performance, an experimental analysis at variable temperature was carried out on one of four technologies. Finally, an analysis of sensitivity of the parameters of the model of Gummel-Poon at 300K over the switching time of the differential pairs (CML/ECL technology) was performed: -Delay time t(FF) and charge time R(BB),C(jC) are the two most important intrinsic contributions, -The extraction of many parameters of the model is inaccurate (C(jE), Rc amongst other) and they influences t(FF), then the need of developing reliable approaches to extract these elements is pointed out.

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Informations

  • Détails : 287 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury-Publication non autorisée par le jury-Thèse confidentielle jusqu'en (année)
  • Annexes : Bibliogr. p.[241]-[254].

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2003)112
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