Il est difficile de résumer vingt ans de recherche en quelques dizaines de pages. Je vais donc essayer de proposer dans l’orientation de mon activité de recherche un fil conducteur qui guidera le lecteur sur le chemin qui a été le mien aux cours de ces années.
J’ai soutenu ma thèse dirigée par R. Quéré le 3 octobre 1996. L’intitulé en était le suivant : Intégration d’un modèle physique de transistor bipolaire à
hétéro-jonction dans l’environnement de la CAO non linéaire des circuits monolithiques microondes[158]
Le travail présenté concernait le couplage entre un simulateur physique de Tran-sistor Bipolaire à Hétérojonction HETSI et un simulateur de circuit en équilibrage harmonique LISA qui a été développé au laboratoire pendant de nombreuses an-nées avant d’être commercialisé.
Le mémoire est divisé en trois parties : la première est essentiellement axée sur la physique des composants. Elle établit les équations générales du transport des porteurs dans les semi-conducteurs et suivant les hypothèses choisies, les équations de dérive diffusion et de transport d’énergie sont données. Compte tenu des impé-ratifs d’un couplage de ces équations à un simulateur de circuits, une discrétisation et une résolution implicite des équations de la physique des semi-conducteurs sont développées. Des résultats concernant l’étude d’une structure de HBT avec un modèle unidimensionnel dérive diffusion sont examinés.
La seconde partie est dédiée quant à elle aux méthodes utilisables pour résoudre les équations des circuits microondes. Les méthodes temporelles sont étudiées et comparées à la méthode de l’équilibrage harmonique. Il ressort un besoin réel d’utiliser la méthode de l’équilibrage harmonique pour résoudre les équations des circuits microondes en régime périodique et en état établi. La troisième partie du mémoire concerne l’intégration des équations de la physique dans un simulateur physique en équilibrage harmonique. La construction sous forme modulaire des
Chapitre 2 Activités de recherche
deux simulateurs est décrite ainsi qu’une méthode originale du calcul du jacobien implicite exact du système. Des résultats en classe A, B à 1.8 GHz valident le cou-plage. Il est désormais possible à l’aide de ce nouvel outil d’envisager de concevoir ensemble la partie passive et active d’un circuit MMIC.
On retiendra de ce travail, les mots clés suivants Transistor Bipolaire à hétéro-jonction, Modélisation physique, Equilibrage harmonique, Simulateur intégré.
Les transistors bipolaires à hétérojonctions captaient l’attention de bon nombre de chercheurs et les nouveaux matériaux grand gap comme le SiC étaient très prometteurs. Jeune chercheur du CNRS recruté en octobre 1997, j’ai donc débuté l’encadrement d’une thèse sur la modélisation de MESFET SiC. Depuis mon en-trée au CNRS, j’ai co-encadré 21 thèses, dont 3 sont en cours, sans compter les divers stages de Master. J’ai regroupé l’ensemble de ces travaux sous divers fils conducteurs rappelés ci-dessous :
— simulation physique du composant
— modélisation électrothermique de composants et circuits — modélisation comportementale d’amplificateur de puissance
— modélisation des effets parasites basses fréquences dans les composants — modélisation thermomécanique
2.1 Simulation physique du composant
2.1.1 Thèse de Delphine Siriex (2000)[1][2, 3]
Le fil conducteur de cette thèse reste pour moi la physique du composant, la modélisation non linéaire, et le début de l’ère des nouveaux matériaux grand gap avec le SiC qui fait son apparition. C’est la première thèse que j’ai encadrée.
Titre : Modélisation non linéaire des MESFETs sur carbure de silicium pour
l’amplification de puissance en microondes
Résumé : Il est aujourd’hui largement admis que les semi-conducteurs à large bande interdite vont permettre de repousser les frontières atteintes à ce jour dans le domaine des composants électroniques. Le carbure de Silicium est un candidat sérieux dans ce domaine. Son grand gap lui confère des propriétés très intéressantes
2.1 Simulation physique du composant pour des applications de fortes puissances et à hautes températures. Au cours de ce travail de thèse, nous avons été amenés à réaliser une caractérisation expéri-mentale de transistors MESFETs SiC. Celle-ci est basée sur des mesures I(V) et paramètres [S] en condition pulsées. Cette méthode de caractérisation s’avère in-dispensable : elle permet d’analyser et d’étudier le comportement électrique des dispositifs micro-ondes, mais aussi de réaliser des modèles non linéaires de ces com-posants, pour la CAO des circuits. Une modélisation des principales non-linéarités du transistor MESFET a été réalisée par une représentation tabulaire à l’aide des B-splines cubiques. De plus, un nouveau modèle analytique intégrant le compor-tement dynamique des effets dispersifs liés aux pièges a été mis au point. Dans la phase de développement d’une nouvelle filière de composants, il est intéressant de relier les performances électriques aux caractéristiques géométriques et physiques du transistor. C’est dans cette optique que nous avons développé un modèle phy-sique bâti à partir des équations de transport de charges du semi-conducteur. Les résultats de ces modèles électriques et physiques, comparés avec des mesures grands signaux, démontrent leurs précisions et leurs très larges domaines d’utilisation.
2.1.2 Thèse de David Lopez (2002)[4][5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]
Le fil conducteur reste là encore la simulation physique et les transistors bipo-laires à hétérojonction (HBT). Ces travaux se présentent réellement comme la suite de mes travaux de thèse. Ils intègrent pour la première fois les aspects thermiques. C’est la première thèse du groupe sur les aspects multiphysiques, qui mèle phy-sique du semiconducteur et équation de la chaleur. Nous traitons la partie chaleur à l’aide du simulateur par éléments finis MODULEF développé par l’INRIA.
Titre : Intégration d’un modèle thermique de transistor bipolaire à
hétérojonc-tion issu de simulahétérojonc-tions thermiques Tridimensionnelle dans un environnement de simulation circuit
Résumé : Le travail présenté dans ce mémoire concerne l’intégration d’un modèle thermique de TBH issu de simulations thermiques 3D dans une environnement de simulation circuit. Après avoir mis en évidence dans le premier chapitre les effets thermiques dans les composants micro-ondes, nous avons présenté dans le second chapitre le potentiel de prédiction des échauffements d’une analyse thermique 3D. Ensuite nous avons présenté la mise en place d’une méthode de réduction de mo-dèle par la technique des vecteurs de Ritz à partir de ces simulations comme le montre la figure 2.1.1a. Le troisième chapitre décrit la modélisation non-linéaire électrothermique de TBH développé à l’IRCOM afin de générer un modèle global de transistor distribué par doigts que l’on connectera au modèle thermique. Enfin, le dernier chapitre démontre l’intérêt d’un tel modèle dans le cadre de prédiction
Chapitre 2 Activités de recherche
de stabilité (crunch) et du fonctionnement de puissance notamment en termes de dynamiques lentes en fonctionnement pulsé.
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-WM4 – “Integration and multi-physics challenges in 5G mm-wave system design”