Thèse UNIVERSITE DE LIMOGES DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LIMOGES

UNIVERSITE DE LIMOGES
Ecole Doctorale Science – Technologie - Santé
Faculté des Sciences et Techniques
Année: 2003 Thèse N° 35-2003
Thèse
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LIMOGES
Discipline : "Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique"
Spécialité : "Télécommunications"
Présentée par
Sylvain HECKMANN
Le 30 octobre 2003
CONTRIBUTION AU DEVELOPPEMENT D'UNE
FILIERE DE TRANSISTORS BIPOLAIRES A
HETEROJONCTION DE TRES FORTE PUISSANCE
EN BANDES L ET S POUR APPLICATIONS DE
TELECOMMUNICATIONS CIVILES ET RADAR
Thèse dirigée par Jean-Michel NEBUS
Jury:
M Raymond QUERE Professeur à l'Université de Limoges Président
M Jean-Claude DE JAEGER Professeur à l'Université de Lille Rapporteur
M Jean-Luc PELOUARD Directeur de recherche CNRS LPN (Marcoussis) Rapporteur
M Philippe AUXEMERY Ingénieur UMS (Orsay) Examinateur
M Didier FLORIOT Ingénieur Thalès Research&Technology (Orsay) Examinateur
M Luc LAPIERRE Chef de service CNES (Toulouse) Examinateur
M Nicolas LE GALLOU Ingénieur Alcatel Space (Toulouse) Examinateur
M François MURGADELLA Ingénieur Délégation Générale pour l'Armement Examinateur
M Jean-Michel NEBUS Professeur à l'Université de Limoges Directeur de Thèse
M Serge VERDEYME Professeur à l'Université de Limoges Examinateur
M Jean-Marc COUPAT Ingénieur Thalès Air Défense (Ymare) Invité
M Raphaël SOMMET Chargé de Recherche CNRS IRCOM (Brive) Invité

- i -

- ii -
Remerciements:
Ce travail a été réalisé conjointement au sein de l'Institut de Recherche en
Communications Optiques et Microondes de l'Université de Limoges et du centre de
recherche de Thalès (Thalès Research and Technology) à Orsay. Je remercie Monsieur le
Professeur Raymond Quéré de m'avoir accueilli dans l'équipe de recherche "Circuits et sous-
ensembles non-linéaires" à l'IRCOM mais aussi d'avoir accepté la présidence de ce jury de
thèse ainsi que Monsieur Jean-Claude Boudenot de m'avoir accueilli dans le département
"Composants/Technologies Semiconducteurs" de TRT.
Toute ma reconnaissance va aux deux personnes qui ont efficacement dirigé ce travail et
lui ont permis d'aboutir; Jean-Michel Nébus en tant que directeur de Thèse et Didier Floriot,
responsable du groupe "Conception Hyper" de TRT en tant que responsable industriel.
J'exprime ma gratitude à Monsieur le Professeur Jean-Claude De Jaeger de l'Institut
d'Electronique de Micro-électronique et Nanostructure (IEMN) de Lille et Monsieur Jean-Luc
Pélouard Directeur de recherche au Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) de
Marcoussis pour avoir accepté de juger ce travail en qualité de rapporteurs.
J'adresse mes remerciements à Messieurs Jean-Marc Coupat, ingénieur à Thalès Air
Défense (Ymare), Luc Lapierre, chef de département au CNES (Toulouse), François
Murgadella de la Délégation Générale pour l'Armement et au Professeur Serge Verdeyme de
l'Université de Limoges d'avoir accepté d'examiner ce mémoire. J'exprime aussi toute ma
gratitude à Monsieur Nicolas Le Gallou, ingénieur à Alcatel Space (Toulouse) dont j'ai
partagé quelques temps le bureau à l'IRCOM d'avoir accepté de participer à ce jury.
Je remercie également Messieurs Philippe Auxemery, ingénieur à United Monolithic
Semicondutors (UMS) et Raphaël Sommet, chargé de Recherche CNRS d'avoir suivi et
collaboré à ce travail au cours de ces trois ans et de participer à ce jury.
Pour m'avoir efficacement guidé et aidé dans mes recherches à Orsay, je remercie Eric
Chartier (pour ses conseils sur les modélisations et la réalisation de mesures), Sylvain Delage,
Jean-Claude Jacquet, Stéphanie Léger et Stéphane Piotrowicz (pour l'aide apportée dans les
phases de conception) mais aussi Raphaël Aubry et Alexandre Kerlain qui auront
prochainement l'honneur de soutenir leur thèse. Je remercie également tous les membres du
groupe composants pour l'accueil dont ils ont su faire preuve.
Je ne saurais oublier de remercier tous les membres de l'équipe "circuits et sous-
ensembles non-linéaires" de l'IRCOM, particulièrement Messieurs Denis Barataud et Jean-
Pierre Teyssier qui ont suivi les caractérisations des composants sur les différents bancs de
mesure.
Je terminerai par remercier les Thésards de l'IRCOM, en particulier Christophe
Charbonniaud et Tony Gasseling pour leur maîtrise respective des bancs de mesure et à qui on
doit une partie des résultats expérimentaux de ce travail. Les thésards passés et à venir de
l'équipe, Arnaud, Christophe, François, Peter, Stéphane, Sandra et Tibo pour la bonne
ambiante dans laquelle se sont déroulées les étapes limousines de ce travail. Mes
remerciements vont également à Madame Marie-Claude Lerouge pour son aide afin de traiter
les aspects logistiques et administratifs liés à cette thèse.

- iii -
Table des matières
Introduction générale.....................................................................................................1
Chapitre I - Contexte de l’amplification de puissance en bandes L et S ............... 5
I - Introduction ........................................................................................................ 7
II - Les applications civiles et militaires en bande L et S ......................................... 8
II - A - Le marché des stations de base en bande L........................................... 8
II - A - 1 - Les différentes générations ..........................................................................8
II - A - 2 - Pourquoi passer à une troisième génération ?.............................................9
II - B - Les applications radar en bande S ........................................................ 10
II - B - 1 - Un peu d’histoire.........................................................................................10
II - B - 2 - Le fonctionnement d’un radar.....................................................................11
II - B - 3 - Constitution d’un radar ...............................................................................11
II - B - 4 - Quelques applications des radars en fonction de la fréquence..................12
III - Les points clés pour l’amplification de puissance en bandes L et S................. 13
III - A - Technologies de transistors répondant à ces besoins de fortes
puissances............................................................................................. 13
III - A - 1 - Caractéristiques de quelques semi-conducteurs........................................13
III - A - 2 - Les technologies à base de silicium...........................................................14
III - A - 3 - Les technologies à base d’arséniure de gallium.........................................18
III - A - 4 - Le nitrure de gallium...................................................................................20
III - A - 5 - Récapitulatif de ces technologies...............................................................20
III - A - 6 - Quelques résultats en bande X ..................................................................23
IV - Les limites de fonctionnement d’un transistor bipolaire à hétérojonction ......... 25
IV - A - L’effet Kirk.............................................................................................. 25
IV - B - Le phénomène de claquage .................................................................. 28
IV - B - 1 - L’ionisation thermique.................................................................................28
IV - B - 2 - L’ionisation par impact................................................................................28
IV - B - 3 - Description physique du phénomène .........................................................29
IV - C - Les effets thermiques ............................................................................ 31
IV - C - 1 - Le ballast ....................................................................................................32
IV - C - 2 - L’évacuation des calories ...........................................................................35
V - Besoins, outils et méthodes pour l'expertise technologique et la conception
optimisée d'amplificateurs................................................................................ 38
V - A - Simulation électrique ............................................................................. 38
V - B - Simulation physique .............................................................................. 38
V - B - 1 - Les méthodes Monté-Carlo ........................................................................39
V - B - 2 - Les modèles dérive-diffusion......................................................................39
V - B - 3 - Les modèles hydrodynamiques..................................................................40
V - C - Simulation thermique............................................................................. 40
V - D - La simulation électromagnétique ........................................................... 41
V - E - Les simulateurs couplés ........................................................................ 41
V - F - Outils de caractérisation ........................................................................ 41
V - G - Stabilité des circuits............................................................................... 42
VI - Conclusion ....................................................................................................... 44

- iv -
VII - Bibliographie .................................................................................................... 45
Chapitre II - Description et caractérisation de la filière TBH bandes L et S..........49
I - Introduction ...................................................................................................... 51
II - Le TBH pour les applications en bandes L et S ............................................... 52
II - A - Rappels sur l’origine de l’hétérojonction ................................................ 52
II - B - Intérêt des TBH par rapport aux transistors bipolaires silicium.............. 53
II - C - Les choix retenus pour cette filière de TBH bandes L et S.................... 54
II - C - 1 - Impact des fortes tensions sur l’impédance de charge ..............................55
II - C - 2 - Impact sur la technologie............................................................................55
II - C - 3 - Les topologies de transistors envisagées...................................................56
II - C - 4 - Les solutions de "management" thermique ................................................57
III - Caractérisations thermiques et en puissance des TBH bandes L et S............. 61
III - A - Mesure des résistances thermiques ...................................................... 61
III - A - 1 - Mesure par la méthode de coïncidence .....................................................61
III - A - 2 - Correction de la température de fonctionnement .......................................62
III - A - 3 - Influence du dissipateur sur la résistance thermique .................................64
III - B - Influence de l’épitaxie sur les caractéristiques électriques en fonction de
la température ....................................................................................... 65
III - C - Impact de l'autoéchauffement sur les mesures en puissance ............... 69
III - C - 1 - Schéma du banc pour les mesures de puissance load-pull pulsées..........69
III - C - 2 - Comparaison : Diamant vs Or fin ...............................................................70
III - C - 3 - Comparaison : Diamant vs Or épais vs Or fin ............................................73
IV - Conclusion ....................................................................................................... 76
V - Bibliographie .................................................................................................... 77
Chapitre III - Modélisation des TBH bandes L et S................................................. 79
I - Introduction ...................................................................................................... 81
II - Modélisation des TBH ...................................................................................... 82
II - A - Equations gouvernant le modèle statique.............................................. 82
II - A - 1 - Fonctionnement statique ............................................................................82
II - A - 2 - Modélisation de la partie dynamique..........................................................86
II - B - Application à la modélisation des TBH bande S.................................... 90
II - B - 1 - Modélisation statique..................................................................................90
II - B - 2 - Modélisation dynamique.............................................................................90
III - Implantation du modèle d’avalanche................................................................ 98
III - A - Description des effets de l’avalanche au niveau électrique. .................. 98
III - A - 1 - Montage émetteur commun........................................................................98
III - A - 2 - Montage base commune............................................................................99
III - A - 3 - Récapitulatif des effets de l’avalanche .......................................................99
III - B - Mesures de puissance au-delà de la tension de claquage émetteur
commun................................................................................................101
III - C - Implémentation du claquage dans le modèle non-linéaire....................103
III - C - 1 - Fonctionnement en statique .....................................................................105
III - C - 2 - Validation du modèle par des mesures load-pull à 2GHz ........................106
IV - Modélisation de l'effet Kirk ..............................................................................108