Détection Térahertz par transistor à effet de champ à base de Silicium.

par Hadley Videlier

Thèse de doctorat en Milieux denses et matériaux

Sous la direction de Wojciek Knap.

Le jury était composé de Luca Varani, Javier Mateos, Olivier Briot.

Les rapporteurs étaient Alain Maestrini, Michel Goiran.


  • Résumé

    Ce travail expérimental traite de la détection de radiations Térahertz (THz) par des transistors à base de silicium. Après avoir exposé le contexte de l'étude et les bases théoriques des modèles nécessaires à la compréhension du sujet, le manuscrit débute par une comparaison des transistors de haute mobilité électronique (HEMTs à base de matériaux III-V), aux transistors à base de silicium (Si-MOSFETs). Cette étude permet une meilleure compréhension du mécanisme physique responsable de la détection de radiations THz par les transistors à effet de champ de manière générale. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'étude théorique et expérimentale de la longueur critique du canal Lc, liée à la distance d'amortissement des ondes de plasma et à partir de laquelle le signal de détection sature. Par ailleurs, le signal de détection THz de différents types de Si-MOSFETs a été étudié en fonction du champ magnétique, de la température et de la fréquence de l'onde THz incidente. Des raies inattendues et extrêmement marquées sont observées, jusqu'à la température ambiante, dans le signal de détection et dans la résistance du canal en champ magnétique. Celles-ci semblent être liées à une résonance de spin de facteur gyromagnétique égal à 2. L'allure générale du signal THz en champ magnétique est également discutée. Enfin, l'une des premières générations de détecteurs optimisés pour le THz et conçue dans le cadre d'un partenariat avec le CEA-LETI est présentée. Il s'agit notamment d'une matrice de pixels composés de Si-MOSFETs connectés à des antennes adaptées, à des amplificateurs de signaux, et à une première ébauche de circuit de lecture. La sensibilité, la puissance équivalent bruit (NEP) et la polarisation de ces détecteurs, est également étudiée en fonction de la fréquence incidente. Les résultats de cette étude mettent en exergue le potentiel de ces transistors nanométriques à base de Silicium entant que détecteur dans un système d'imagerie THz performant à température ambiante.

  • Titre traduit

    THz detetection with Silicon Field Effect Transistors


  • Résumé

    The experimental study reported here, deals with Therahertz (THz) radiation detection with silicon based transistors. After a brief overview of the context and the basics of the theory necessary to understand the subject, the report starts with a comparison betwen high mobility transistors (HEMTs based on III-V technolgies), and silicon transistors (Si-MOSFETs). This study allows a better understanding of the physical phenomenom responsible for THz radiation detection with field effect transistors in general. The second part is focalized on theoretical and experimental study of the critical chanel length (Lc), correlated to the distance of the plasma waves damping, from which the detection signal saturates. Beside, this THz detection signal, from diffrent kind of Si-MOSFETs, has been studied in magnetic field, in temperature, and in the frequency of the incomming radiation. Very pronounced and odd peaks are observed and studied, up to the ambiant temperature, inside the THz signal and the resistance of the MOS submited to magnetic field. These peaks seems to be linked by some way to a spin resonnance with a gyromagnetic factor of 2. The global tendancy of the evolution of the signal in magnetic field is also studied. Finally, one of the first generation of THz optimized detectors, develloped in partnership with CEA-LETI, is presented. Indeed, matrixes of pixels, composed of Si-MOSFETs connected to specific antennas, integrated amplifiers, and a basic reading circuit are studied. Sensitivity, noise equivalent power (NEP), polarization, of these detectors are caracterized. This study demonstrates the whole potential of these silicon based transistors as efficient THz imagery detectors for room temperature.

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