Chapitre 1: Etat de l’art des matériaux utilisés
6. Caractérisation thermique du HBT InGaP/GaAs
6.1. Effet de la température sur les propriétés physiques de l’HBT InGaP/GaAs…
Nous pouvons remarquer sur la figure (4.35) que l’énergie du gap 𝐸𝑔 diminue avec
l’augmentation de la température. En effet à haute température les liens interatomique sont affaiblis, et quand on a des liens plus faibles n’a nécessairement besoin que d’une énergie faible pour casser ces liaisons et obtenir un électron dans la bande de conduction. De ce fait en augmentant la température la largeur de la bande interdite diminue, les porteurs de charge ont plus de facilité d’acquérir une énergie thermique supérieure à l’énergie du gap leur permettant de franchir la bande interdite et passer de la bande de valence à la bande de conduction.
Chapitre 4 : L’analyse en température des HBTs InGaP/GaAs
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Figure 4.35 : Evolution de l’énergie de la bande interdite dans l’HBT InGaP/GaAs pour
différentes températures.
6.1.2. Diagramme de bande d’énergie
La figure (4.36) établit les diagrammes d’énergie de notre HBT InGaP/GaAs pour trois valeurs différentes de température T = 25 °C, 100 °C et 150 °C.
Figure 4.36 : Diagramme des bandes d’énergie de l’HBT d’étude en fonction de la
Chapitre 4 : L’analyse en température des HBTs InGaP/GaAs
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On remarque bien que les niveaux énergétiques diminuent d’autant plus que la température augmente. Ceci engendre une diminution des barrières de potentiel des deux jonctions E/B et B/C. Cette diminution favorise l’injection des électrons de l’émetteur vers la base et de la base vers le collecteur, donc l’augmentation des courants de base et de collecteur avec la température.
6.1.3. Les densités effectives d’état
Les densités effectives d’état sont modélisées en fonction de la température sous la forme suivante: 𝑁𝐶 = 2. 2𝜋𝑚𝑛∗𝑘𝑇 2 3 2 = 𝑇 300 3 2 . 𝑁𝐶 300 (4.21) 𝑁𝑉 = 2. 2𝜋𝑚𝑝∗𝑘𝑇 2 3 2 = 𝑇 300 3 2 . 𝑁𝑉 300 (4.22)
La figure (4.37) illustre l’évolution des densités effectives d’état des électrons et des trous en fonction de la température. Nous remarquons une augmentation de ces deux paramètres.
Figure 4.37: Evolution des densités effectives d’état des électrons et des trous dans l’HBT
Chapitre 4 : L’analyse en température des HBTs InGaP/GaAs
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6.1.4. La densité intrinsèque
Les vibrations dans le réseau cristallin augmentent avec la température, entrainant une augmentation globale de l’énergie. Donc les électrons peuvent, à moment donné, acquérir suffisamment d’énergie pour quitter leurs liaisons dans le réseau, créant ainsi des paires électron-trou supplémentaires cela signifie que la concentration intrinsèque ni augmente avec la température.
L’évolution de la concentration intrinsèque des porteurs avec la température 𝑛𝑖2 𝑇 s’exprime en fonction de 𝑛𝑖02 = 𝑛𝑖2 𝑇0 où T0 = 25 °C : 𝑛𝑖2 𝑇 = 𝑛𝑖02 . 𝑇 𝑇0 3 . 𝑒𝑥𝑝 −2𝐸𝑔 𝑘𝑇 . 𝑒𝑥𝑝 2𝐸𝑔 𝑘𝑇0 (4.23) Les concentrations en porteurs peuvent être liées aux bandes d’énergie avec la statistique de Boltzmann ou la statistique de Fermi. La diminution de la largeur du gap de façon exponentielle avec la température va augmenter la concentration intrinsèque.
La Figure (4.38) montre l’évolution du carré de la densité intrinsèque dans notre HBT InGaP/GaAs. Nous remarquons une augmentation de ce paramètre avec la température dans la zone active du transistor, cette augmentation résulte essentiellement des densités d’état et du gap qui sont affectées par la température.
Figure 4.38 : Evolution de la concentration intrinsèque ni dans l’HBT InGaP/GaAs pour
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6.1.5. La mobilité des porteurs
Comme nous l’avons souligné dans le chapitre 3, la mobilité des porteurs libres (trous et électrons) dépend de la température. C’est le cas des différents matériaux semi-conducteurs constituant notre structure épitaxiale. En effet, la mobilité est reliée à la température selon les relations empiriques démontrées dans la littérature sous plusieurs formes selon les systèmes de matériaux étudiés. Pour les hétérostructures qui nous concernent, [34] et [35] ont montré une réduction de la mobilité des électrons lorsque la température augmente. Le GaAs peu dopé connait par ailleurs une variation de la mobilité des électrons d’environ 50% lorsqu’on passe de 20°C à 200°C [36].
Les Figure (4.39) et (4.40) montrent, respectivement, la distribution de la mobilité d'électrons et de trous pour différentes températures dans l’HBT InGaP/GaAs. Comme prévu, ces figures attestent la forte diminution de la mobilité des trous et des électrons avec la température dans l’émetteur neutre, base neutre, collecteur neutre et dans la région de charge d’espace base-collecteur. En outre, la mobilité dépend aussi du dopage, et elle est également différente pour les porteurs minoritaires et majoritaires.
La modulation de la vitesse des porteurs sous l’effet de la température est due à la variation de leur mobilité. Une faible mobilité de charges induira une augmentation de la résistance parasite, donc la variation avec la température a pour effet de diminuer le gain statique en courant.
Figure 4.39 : Evolution de la mobilité des électrons dans l’HBT InGaP/GaAs pour
Chapitre 4 : L’analyse en température des HBTs InGaP/GaAs
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Figure 4.40 : Evolution de la mobilité des trous dans l’HBT InGaP/GaAs pour différentes
températures.
6.1.6. Les densités des porteurs
Les figure (4.41) et (4.42) représente l’évolution des densités de porteurs pour une polarisation de base VBE= 1.5V et une polarisation de la jonction collecteur-base en inverse VBC= 0V, avec une température variable 25°C, 100°C et 150 °C.
Nous pouvons observer sur la figure (4.41) une augmentation de la densité des électrons dans la région N de collecteur lorsque la température augmente. Cette augmentation des porteurs peut être appropriée à la diminution de la barrière de potentiel qui accélère l’injection des électrons de la base vers le collecteur.
Cette influence est également observée sur la densité des trous où leur injection croissante dans le collecteur lorsque la température augmente est illustrée sur la figure (4.42). La base s’élargit et les trous s’injectent également dans la zone épitaxie pour rétablir la neutralité électrique, nous remarquons donc une modulation de l’épaisseur de la base.
Nous pouvons remarqués aussi que la densité des trous augmente avec la température dans la jonction émetteur-base, ce ci est expliqué par la diminution de la barrière de potentiel à forte température, qui accélère l’injection des trous de la base vers l’émetteur.
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Figure 4.41 : Evolution de la densité des électrons dans l’HBT InGaP/GaAs pour différentes
températures.
Figure 4.42 : Evolution de la densité des trous dans l’HBT InGaP/GaAs pour différentes
Chapitre 4 : L’analyse en température des HBTs InGaP/GaAs
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Les phénomènes thermiques se répercutent sur les performances électriques du composant et réduire sa fiabilité. Il est donc nécessaire, afin de modéliser le plus précisément possible les comportements statiques et dynamiques des composants de puissance, de tenir compte de l’impact importants de la température sur ces composants, étant donné les fortes densités de puissances mises en jeu et la faible conductivité thermique de GaAs.
Les nombreuses études menées pour passer outre les limitations thermiques, témoignent de l’intérêt et de la pertinence de comprendre les phénomènes thermiques dans les HBTs. Les références [37], [38] et [39] traitent de ce sujet et apportent les conclusions suivantes : L’emballement thermique et l’auto-échauffement dégradent la densité de courant de collecteur, le gain en courant et les pics des fréquences de transition 𝑓𝑇 et maximale d’oscillation 𝑓𝑚𝑎𝑥. La référence [40] indique qu’une élévation trop importante de température augmente le temps de transit dans la base en raison de la réduction de la mobilité des électrons.
Dans la suite de notre étude on va démontrer tout ces dégradations causées par la température sur l’HBT InGaP/GaAs.