Conception d’un banc de mesures et de stress automatisé

Au commencement de cette thèse, le LUSAC ne possédait pas de banc de mesures automatisé pour caractériser électriquement des transistors encapsulés. Il a donc fallu le concevoir en s’appuyant sur le cahier des charges suivant :

 Pouvoir effectuer des caractéristiques IDS (VDS, VGS) ; IGS (VGS) et IDS (VGS, VDS =cst) des transistors, en pouvant choisir les paramètres de

polarisation.

 Pouvoir effectuer des stress électriques sur des transistors (stress à canal ouvert, stress à canal pincé, stress NGB), tout en suivant les évolutions des paramètres électriques au cours des stress.

 Pouvoir effectuer les caractéristiques IDS (VDS, VGS) ; IGS (VGS) et IDS (VGS, VDS =cst) à n’importe quel moment durant le stress. Cela implique que

le stress doit s’arrêter, puis que les caractéristiques électriques se réalisent et enfin que le stress se relance. Cela doit être effectué automatiquement sans la présence de l’opérateur et autant de fois que celui-ci le souhaite.

 L’interface de commande du banc de mesure doit être conviviale et facilement appréhendée.

Le banc de mesure a été réalisé avec les appareils suivants (figures 1 et 2) :

 Une alimentation commandant la tension drain-source (Thurlby Thandar Instruments) avec une tension de commande maximale de 35 V et un courant maximal de 10 A.

 Une alimentation commandant la tension grille-source -15/+15 V  Un multimètre mesurant le courant de drain (Keithley 2100)  Un multimètre mesurant le courant de grille (Keithley 2100)

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Figure 1 : Banc de caractérisation et de stress des transistors du commerce

Figure 2 : Vue agrandie du board de mesure

Afin d’orchestrer tous ces appareils, nous avons décidé de créer un programme sur PC avec SharpDevelop qui est un logiciel utilisant le langage C# [158]. Nous avons ainsi pu créer une interface de contrôle des caractéristiques et des stress électriques. Cette interface est visible sur la figure 3. Nous pouvons donc mesurer les caractéristiques IDS (VDS, VGS), IGS (VGS) et IDS (VGS, VDS = constante). De plus, le programme en C# gère les stress automatiquement en effectuant les trois caractérisations électriques à des intervalles de temps que l’on peut choisir afin de suivre l’évolution des paramètres électriques au cours des stress. Il est également possible de choisir le temps total de stress ainsi que les tensions de polarisation VDS et VGS au cours du stress. Multimètres Alimentation de VDS Alimentation de VGS Board de mesure Connexion de VDS Connexion de VGS Transistor à tester

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Figure 3 : Interface de commande du banc de caractérisation et de stress électriques

Afin de valider les mesures effectuées sur les transistors, il est nécessaire de déterminer les incertitudes en tension et en courant de notre banc de caractérisation. Nous avons donc effectué une étude statistique avec 200 mesures à un intervalle de 1 ms des paramètres électriques mis en jeu. La figure 4 montre la dispersion des 200 mesures de la tension VDS pour une tension de consigne de 8 V, permettant ainsi de caractériser l’alimentation en tension drain-source sur laquelle est branchée une résistance de 47 Ω.

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Pour tous les essais, y compris pour la programmation de l’alimentation, nous avons utilisé cette résistance de 47 Ω car cette alimentation peut générer une tension de 0 à 100 V et un courant de 0 à 2 A. Nous obtenons une moyenne de 8,034 V et un écart-type de 1,6.10^-5 V. C’est en accord avec les caractéristiques du constructeur qui donne une précision de 0,2% pour cette alimentation. La figure 5 montre la fréquence statistique des mesures de tensions VDS en comparaison avec une loi théorique normale. Cette fréquence est calculée en divisant le nombre de fois qu’une valeur est mesurée par le nombre total de mesures. Nous constatons donc que la dispersion des mesures suit une loi normale et que nous avons donc une erreur systématique de 34 mV due au générateur de tension et une incertitude de mesure de l’ordre de 20 µV pour la tension VDS.

Figure 5 : Fréquence des tensions VDS mesurées (en bleu) en comparaison avec une loi normale théorique (en rouge)

De même, pour la tension VGS (figure 6), la dispersion des mesures pour une tension de consigne de -6 V, avec une résistance de 22 Ω et un intervalle de 1 ms, a une valeur moyenne de -6,00 V et un écart-type de 1,4.10-4 V. La résistance utilisée est de 22 Ω car cette alimentation ne génère qu’une tension de 15 V au maximum. Cette fois, il n’y a donc pas d’erreur systématique et une incertitude de mesure de l’ordre de 100 µV pour la tension VGS. La dérive observable peut être due au fait que la température augmente au sein de la résistance utilisée pour effectuer ces mesures.

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Figure 6 : Dispersion des 200 mesures de VGS pour une tension de consigne de -6 V

En ce qui concerne l’incertitude de mesure du courant, nous pouvons voir la dispersion des 200 mesures de courant IDS obtenues avec VDS = 2 V et VGS = 0 V sur la figure 7. Nous constatons que la valeur moyenne de courant est d’environ 673,6 mA avec un écart-type de 4,5.10^-4 A. Nous avons donc une incertitude de mesure de l’ordre de 50 µA pour les mesures de courant avec notre banc de caractérisation.

Figure 7 : Dispersion des 200 mesures de IDS

Afin de s’affranchir de problèmes statistiques, une fonction de moyennage a été rajoutée au programme. Ainsi les valeurs utilisées pour tracer les courbes de ce chapitre sont la moyenne de 20 mesures effectuées par le multimètre.

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