Les effets thermiques dans les transistors bipolaires hyperfréquence de puissance

Les progrès récents dans le développement de la filière GaAs pour des applications micro-ondes hautes puissances ayant conduit à l’obtention de fortes densités de puissance, une analyse précise des technologies utilisées du point de vue de la fiabilité est nécessaire afin d’identifier les limites de la conception et de la fabrication. En effet, pour les composants GaAs, une limite intrinsèque électronique (c’est-à-dire sans inclure la limitation dûe aux effets thermiques et à la topologie) est atteinte pour des densités de puissance de l’ordre de 10⁵ W.cm² pour des structures verticales comme le HBT [27]. Cette limite s’exprime en densité de puissance par aire d’émetteur. Dans l’HBT, les densités de courant collecteur peuvent être supérieures à 5.10⁴ A.cm^-2 (faible résistance de base, vitesse de saturation des électrons dans le GaAs élevée), et les tensions de collecteur sont souvent supérieures à 10 volts [28], ceci peut donc amener le transistor à fonctionner près des limitations électroniques. Cependant, les fortes densités de puissance (de l’ordre de 24dBm pour les applications de téléphonie mobile [29]) conduisent à un auto-échauffement du dispositif, de telle sorte que les performances sont souvent limitées par les effets thermiques plutôt que par les propriétés intrinsèques du semi-conducteur.

L’augmentation de la puissance dissipée Pdiss liée au courant de collecteur IC par :

𝑃_{𝑑𝑖𝑠𝑠} = 𝑉_𝐵𝐸. 𝐼_𝐵+ 𝑉_𝐶𝐸 . 𝐼_𝐶 (3.19)

Se traduit par un auto-échauffement du transistor qui entraine une chute du gain.

La température maximale au centre de la structure augmente avec le courant collecteur, donc avec la puissance dissipée. Le gain est minimum là où la température est maximum. Dans cette étude théorique, la décroissance du gain induite par l’auto-échauffement est attribuée à la dégradation du facteur de transport dans la base.

Cette contre-réaction négative est bénéfique pour la stabilité thermique des composants. Cela procure un avantage au HBT sur les transistors à homojonction Silicium qui souffrent d’une contre-réaction positive conduisant à un emballement thermique et à la destruction du composant aux forts niveaux de courant.

Une étude menée sur les hétérojonctions abruptes [30], attribue la décroissance du gain en courant en fonction de la température à la chute de l’efficacité d’injection γ. Cette décroissance de γ est ici imputée à une augmentation de l’injection de trous de la base vers l’émetteur lorsque la température croit. Cette augmentation est due à une dépendance négative

Chapitre 3 : Etude théorique du comportement thermique du transistor

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du gain par rapport à la température, est attribué à l’offset ∆EV sur la bande de valence ainsi qu’au rétrécissement de la largeur de la bande interdite dans la base en raison du fort dopage dans cette région.

Pour les structures graduelles, la variation maximale du gain intrinsèque en courant est de 33%, alors qu’elle passe à 53% si l’on ajoute les effets des recombinaisons [31].

6. Conclusion

La principale limitation des HBTs de puissance c’est la température. Des nombreuses études menées pour passer outre ces limitations, témoignent de l’intérêt et de la pertinence de comprendre les phénomènes thermiques dans les HBTs. Nous retirons les conclusions suivantes : une élévation de température dégradent le gain en courant et augmente le temps de transit dans la base en raison de la réduction de la mobilité des électrons ce qui conduit à une chutes des pics des fréquences de transition f_T et maximale d’oscillation f_max.

Le but du chapitre suivant est de démontrer en détaille toutes les dégradations effectuer par l’élévation de la température sur le fonctionnement du l’HBT InGaP/GaAs.

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Chapitre 4

L’analyse en température des HBTs

GaInP/GaAs

Chapitre 4 : L’analyse en température des HBTs InGaP/GaAs

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1. Introduction

Les composants semi-conducteurs ont subi récemment de grands développements et les niveaux de leurs points de fonctionnement sont plus élevés et ils supportent de plus fortes puissances. En effet, la démarche de conception est principalement longue et couteuse. Actuellement, vu le degré d’évolution des moyens de calcul, la simulation numérique constitue un outil précieux pour l’étude des phénomènes physiques complexes régissant le fonctionnement des composants semi-conducteurs.

Le but de ce chapitre est en premier lieu de poser toutes les conditions nécessaires à la simulation physique des structures InGaP/GaAs, concernant les simulations aussi bien de dispositifs électriques. Ensuite un deuxième travail a été de rassembler les informations connues à ce jour, puis de les détailler afin de les intégrer de manière adaptée à la convergence et à la précision du simulateur. Tous les paramètres nécessaires ne sont pas connus avec exactitude, pour certains paramètres, nous utiliserons des modèles linéaires issus soit d’interpolations de paramètres InP et du GaP, soit d’observations empiriques. Des modèles plus complexes pourront être évoqués lors d’une recherche plus affinée. Et enfin, notre travail s’inscrit dans le cadre de la modélisation électrique du HBT GalnP/GaAs, permettant de simuler les caractéristiques statiques et dynamiques du composant en fonction de la température. On exposera les principaux résultats obtenus avec une interprétation de ceux-ci, ainsi qu’une comparaison avec d’autres résultats théoriques et expérimentaux.