Etude et Modélisation de transistors bipolaires à hétérojonction

N° d’ordre 03ISAL0092 Année 2003
THESE
ETUDE ET MODÉLISATION DE
TRANSISTORS BIPOLAIRES À HÉTÉROJONCTION
SiGe
APPLICATION À LA CONCEPTION
D ’ OSCILLATEURS RADIOFRÉQUENCES INTÉGRÉS
présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir
le grade de docteur
Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique (EEA)
Spécialité : Dispositifs de l’électronique intégrée
Par
Jérémy RAOULT
Soutenue le 16 décembre 2003 devant la Commission d’examen
Jury
PRIGENT Michel Rapporteur
GASQUET Daniel Rapporteur
KAISER Andreas Président du Jury
GUILLOT Gérard Examinateur
VERDIER Jacques Responsable
GONTRAND Christian Directeur de thèse
Membres invités : CELI Didier
GIRARD Philippe
Cette thèse a été préparée au Laboratoire de Physique de la Matière de l’INSA de Lyon

AVANT - PROPOS
Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au sein de l’équipe « Composants et circuits
radio-fréquences » du Laboratoire de Physique de la Matière (LPM) de l’INSA de Lyon.
Je tiens à remercier Monsieur Gérard GUILLOT, directeur du LPM, pour la confiance qu’il
m’a témoignée en m’accueillant dans le laboratoire.
Je remercie vivement Monsieur Andreas KAISER, Directeur de recherche à l’Institut
d’Electronique et de Micro-électronique du Nord (IEMN), qui m’a fait l’honneur de présider le jury de
thèse.
J’adresse également mes sincères remerciements à Messieurs Michel PRIGENT, Professeur à
l’Institut Universitaire de Technologie de Brive, et Daniel GASQUET, Directeur de recherche au
Centre d’Electronique et de Micro-optoélectronique de Montpellier (CEM2), qui ont bien voulu me
faire l’honneur de juger ce travail, en acceptant d’être rapporteurs de cette thèse.
Que Monsieur Didier CELI, Ingénieur à ST Microelectronics de Crolles, soit aussi remercié
pour avoir accepté de participer au jury de soutenance.
Je remercie Messieurs Christian GONTRAND, Professeur à l’INSA de Lyon, et Jacques
VERDIER, Maître de Conférences à l’INSA de Lyon qui ont assuré la direction et l’encadrement de
cette thèse.
Je tiens à remercier tout particulièrement Monsieur Philippe GIRARD, Technicien en
électronique et en micro-électronique au LPM, avec qui j’ai passé de longues journées pour la
réalisation du banc de mesures de bruit basse-fréquence de transistors. Son professionnalisme et sa
disponibilité ont été décisifs à l’aboutissement de ce travail.
Je souhaite également remercier Monsieur Jacques MAJOS, Ingénieur-concepteur à France
Telecom R&D, pour ses nombreux conseils et pour nous avoir permis de travailler sur les oscillateurs
contrôlés en tension conçus par ses soins.
Je tiens à témoigner ma reconnaissance à Monsieur Serge TOUTAIN, Professeur à l’Institut
de Recherche et d’Enseignement Supérieur aux Techniques de l’Electronique (IRESTE), pour nous

avoir accueilli dans son laboratoire et pour nous avoir si gentiment et si efficacement aidé dans notre
« recherche » d’un banc de caractérisations hyperfréquences de composants actifs.
Je tiens d’ailleurs à remercier Madame Elisabeth DELOS, Ingénieur d’étude à l’IEMN, grâce à
qui les mesures de paramètres S de nos composants ont pu être effectuées avec succès.
J’adresse également mes remerciements à Monsieur Laurent BARY, Ingénieur de recherche
au Laboratoire d’analyse et architecture des systèmes (LAAS) de Toulouse, pour ses conseils
concernant le développement du banc de mesures de bruit BF.
Enfin, je n’oublierai pas les personnes qui m’ont apporté leur aide technique et scientifique
avec disponibilité et efficacité : Messieurs Kader SOUIFI, Manuel BERRANGER, Robert PERRIN.

Sommaire
SOMMAIRE
Liste des tableaux
Liste des figures
Introduction Générale
Chapitre I : Du Transistor Bipolaire Si au Transistor Bipolaire
à Hétérojonction Si/SiGe …………………………………………………. 4
1 Introduction
………………………………………………………………………………….5
2 Théorie du transistor bipolaire
…………………………………………………………….5
2.1 Principe de fonctionnement
…………………………………………………....…...5
2.2 Le transistor bipolaire idéal
…………………………………………………………8
2.2.1 Les courants idéaux …………………………………………………………...8
2.2.2 Les gains en courant du transistor idéal ………………………………………8
2.3 Le transistor bipolaire réel ………………………………………………………….9
2.3.1 Bilan des courants circulant dans le transistor ………………………………..9
2.3.2 L'efficacité d'injection ……………………………………………………….11
2.3.3 Gain statique en courant du transistor réel …………………………………..12
2.3.3.a Gain statique en courant du montage base commune ………………12
2.3.3.b Gain statique en courant du montage émetteur commun β …………12
2.3.4 Les effets à faible polarisation ………………………………………………12
2.3.4.a Courant de recombinaison dans les zones de charge d’espace …….12
2.3.4.b Courant tunnel ………………………………………………………13
2.3.5 L’effet Early ………………………………………………………………...13
2.3.6 Le perçage de la base ………………………………………………………..14
2.3.7 Les limites de fonctionnement en tension : claquage des jonctions
par ionisation par impact …………………………………………………...15
2.3.8 Les effets à fort niveau de courant …………………………………………..15

Sommaire
2.3.8.a Effet Kirk ……………………………………………………………15
2.3.8.b Effet Webster ………………………………………………………..15
2.3.9 Les résistances d’accès ………………………………………………………16
2.4 Le fonctionnement dynamique du transistor bipolaire ………………………….17
2.4.1 La fréquence de transition fT ………………………………………………...17
2.4.2 La fréquence maximale d’oscillation fMAX …………………………………..18
3 Les limites du transistor bipolaire tout silicium ………………………………………..19
4 Utilisation du Germanium dans la base
…………………………………………………20
5 Description de la filière des TBH SiGe étudiés
………………………………………...23
5.1 Introduction technologique
………………………………………………….…….23
5.2 Le TBH de la filière BICMOS 6G 0.35µm STMicroelectronics ……………..24
5.3 Insertion d’une couche de carbone dans la base des TBH SiGe
……………….25
6 Performances des différentes technologies de TBH SiGe
…………………………….26
7 Conclusion
………………………………………………………………………………….27
Références bibliographiques
……………………………………………………………...……...28
Chapitre II : Bruit basse fréquence …………………………………………………..….31
1 Introduction ………………………………………………………………………………...32
2 Différentes sources de bruit BF dans les composants semi-conducteurs
……………32
2. 1 Sources de bruit BF irréductibles
…………………………………………………33
2. 2 Sources de bruit BF réductibles ou en excès
…………………………………….33
3 Analyse du bruit télégraphique dans les composants bipolaires à hétérojonctions
..35
3.1 Principe de la mesure
………………………………………………………………35
3.2 Résultats et analyse du bruit RTS
………………………………………………...36