Caractérisation non linéaire et analyse de transistors à effet de champ pour applications hyperfréquences dans le domaine temporel

par Damien Ducatteau

Thèse de doctorat en Micro-ondes et microtechnologies

Sous la direction de Christophe Gaquière et de Didier Théron.

Soutenue en 2008

à Lille 1 .


  • Résumé

    De nos jours, les systèmes de télécommunications deviennent de plus en plus complexes et sophistiqués. Les perfonnances électriques des transistors hyperfréquences qui les constituent, doivent être améliorées en terme de fréquence, de puissance, de rendement et de linéarité. Dans le cas des transistors de puissance la caractérisation non linéaire est une étape indispensable afin de mieux comprendre et appréhender les effets limitatifs et d'optimiser leur conception. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse a été de mettre en œuvre un analyseur de réseaux non linéaire, de valider les mesures provenant de cet équipement et de développer des outils de mesures et d'analyse dans le domaine temporel afin de mieux appréhender les effets limitatifs des transistors à effet de champ aux fréquences micro-ondes. Dans un premier temps, nous avons montré l'importance de la caractérisation non linéaire hyperfréquence lors de la conception de circuits actifs. Nous avons effectué ensuite une étude bibliographique des principaux systèmes de caractérisation non linéaires existants et qui ont été précurseurs dans ce domaine. Dans le deuxième chapitre, nous avons décrit le principe de fonctionnement de l'analyseur de réseaux vectoriel non linéaire et sa mise en œuvre. Ensuite, afin d'évaluer les perfonnances de cet équipement, nous avons comparé les mesures provenant de ce dernier à celles effectuées par d'autres laboratoires de recherche sur un même composant de référence. Le troisième chapitre décrit le fonctionnement de l'analyseur de réseaux non linéaire à charge active développé au laboratoire. Une étude de l'incertitude de mesure en fonction de la charge sera présentée. Enfin, afin de valider expérimentalement notre banc, nous avons confronté les mesures effectuées avec ce dernier à des résultats de simulations électriques sur un composant de référence. La suite de ce travail a été consacrée à l'étude expérimentale dans le domaine temporel aux fréquences micro-ondes des effets limitatifs de l'ionisation par impact dans les transistors à effet de champ à hétérojonction de la filière GaAs. Nous avons présenté la technique et les résultats expérimentaux des mesures en régime grand signal effectuées avec le LSNA. Un modèle électrique non linéaire permettant de rendre compte des effets de l'ionisation a été décrit et discuté. La dernière partie est consacrée à une étude expérimentale de passivation et de prétraitement de surface effectuée sur des transistors HEMT à hétérostructure Al0. 81In0. 19/GaN. Nous avons montré l'avantage d'utiliser l'analyseur de réseaux non linéaire à charge active pour regarder l'influence de la passivation et du prétraitement de surface sur les perfonnances en puissance. Ensuite, nous avons discuté sur la localisation des pièges et de leur dynamique.

  • Titre traduit

    Non linear characterization and analysis of field effect transistors for microwave applications in time domain


  • Résumé

    The goal of this PhD work has been to implement a non linear network analyzer (LSNA), to validate measurements, to develop measurements and analysis tools in time domain in order to understand limiting effects on field effect transistors at microwave frequencies. First, we show the importance of the non linear characterization for the design of active circuits. Second, we de scribe the Large Signal Network Analyzer setup and its implementation. After that, in order to evaluate the performance of this equipment, we have compared measurements provided by equipment and by those coming from other laboratories on the same reference device. Ln the next part, we describe the setup of an active load pull large signal network analyzer developed in our laboratory. Then, in order to validate our setup, we compare non linear measurements obtained under in load pull conditions with data coming from simulation performed on a reference device. The following of this work is devoted to an experimental study in time domain, using LSNA, on the lirniting effects of impact ionization inside GaAs HEMT devices. We present sorne experimental results and mainly measurements under large signal conditions in time domain. A non linear electrical model allows us to account for the impact ionization effects on the time domain waveforms. The next part is devoted to a specific study of passivation and surface pretreatrnent carried out on A 10. 81InO. 19N/GaN HEMT device. We show the advantages to use the active load pull large signal network analyzer for studying the influence of passivation and surface pretreatrnent on the power performance. To fmish, we discuss on the traps localization and dynamic

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Informations

  • Annexes : Bibliogr. à la suite de chaque chapitre. 83 réf. Liste des publications

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