Contribution à la mesure temporelle et à la simulation en équilibrage harmonique de la stabilité d’impulsion à impulsion de transistors en technologie GaN

par Marwen Ben Sassi

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Denis Barataud et de Guillaume Neveux.

Soutenue le 24-03-2021

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Cyril Nicolas Decroze.

Le jury était composé de Denis Barataud, Guillaume Neveux, Cyril Nicolas Decroze, Mohammed Ayad, Hassan Saleh, Michel Stanislawiak.

Les rapporteurs étaient Juan-Mari Collantes, Eric Bergeault.

mots clés

• Phénomène de Gibbs
• Temps de montée/descente
• Lanczos/Fejér
• Pulse to Pulse
• Applications radar
• GaN
• 2-tons Harmonic Balance Simulation
• Transistors à effet de champ à dopage modulé
• Nitrure de gallium
• Modulation d'impulsions en durée -- Simulation, Méthodes de
• Stabilité de fréquence -- Tests

Résumé

Ce travail de thèse a permis de décrire, pour la première fois à notre connaissance, une comparaison des performances Pulse à Pulse (P2P) d'un HEMTAlGaN/GaN obtenue, expérimentalement d'une part grâce à un système de caractérisation entièrement étalonné et d'autre part, grâce à une simulation Harmonic Balance (HB) 2tons d'un modèle fonderie du transistor. Les mesures et les simulations HB permettent l'extraction simultanée et cohérente, d'une part, des enveloppes complexes des tensions et courants hyperfréquences (RF) et, d'autre part, du courant de drain Basse Fréquence (BF) généré par les non-linéarités des composants mesurés ou de leurs modèles électrothermiques simulés. Les enveloppes complexes de tension et de courant aux deux ports des dispositifs sous test (DST) et de la tension et du courant (BF) de drain ont été simultanément mesurées/simulées avec une rafale radar irrégulière périodique composée d'impulsions transitoires ultra courtes et en utilisant les mêmes rafales radar dont, la largeur d’impulsion t et les temps de montée/descente ont été modifiés. L’originalité majeure de ce travail réside dans le fait que les formes d'onde RF générées dans le domaine temporel utilisées par les sources du banc de test ou celles des simulation sont été corrigées pour réduire considérablement les phénomènes de Gibbs.Les facteurs de Lanczos/Fejér ont été implémentés dans des simulateurs. En revanche, à notre connaissance, c'est la première fois qu'ils sont directement utilisés pour générer un signal utile dans un système de caractérisation micro-ondes et dans une simulation HB 2tons.

mots clés

• Gibbs phenomenon
• Rise/Fall times
• Lanczos/Fejér
• P2P
• Radar burst
• GaN
• 2-tone HB simulations

Titre traduit

Measurements and 2-tone Harmonic Balance Simulations of P2P Performance ofHEMTGaN Transistors

Résumé

This work describes, for the first time to our knowledge, a comparison of Pulse to Pulse (P2P) stabilities of an AlGaN/GaN HEMT experimentally extracted thanks to an on-wafer fully calibrated characterization system and on the other hand, from a Harmonic Balance (HB) two-tone simulation of a foundry-based model of the transistor. For the first time, Lanczos and Fejér factors are experimentally implemented in the time-domain characterization system in order to reduce the Gibbs phenomen on effects and to perform causal measurements.Thanks to these two tools, the complex envelopes of the microwave (RF) voltages and currents and the Low-Frequency (LF) drain current have been measured/simulated. The complex RF voltage/current envelopes at both ports of the DUT and the LF drain voltage/current have been simultaneously measured/simulated using a periodic irregular radar burst.The P2P stability criterion has been calculated, in this work, using two mathematical expressions (RMS/ET).These two methods are based on the use of the amplitude/phase or the real/imaginary of the measured/simulated (HB 2tone) complex envelopes of the RF output voltage. Ultra-short transient pulses(13ns) have been used. Simulation preliminary results are processing. They will constitute a solid preparation for the future work.