etude en radiofréquences de transistors à effet de...

N dordre 2006-ISAL-0010 Anne 2006

Thse

Etude en radiofrquences de transistors effet de champ MOS partiellement dserts en technologie avance Silicium-Sur-Isolant

sub-0,13 m

prsente devant LInstitut National des Sciences Appliques de Lyon

pour obtenir

le grade de docteur de l'INSA

Ecole doctorale : Electronique, Electro-technique, Automatique

Spcialit : Dispositifs de l'lectronique intgre

par

Renaud DAVIOT Soutenue le 18/01/2006 devant la Commission dexamen

Jury

ABOUCHI Nacer Directeur de thse BARBIER Daniel CHOUTEAU Stphanie GRISEL Richard Rapporteur JOMAAH Jalal Rapporteur ROZEAU Olivier Laboratoire de Physique de la Matire

N dordre 2006-ISAL-0010 Anne 2006

Thse

Etude en radiofrquences de transistors effet de champ MOS partiellement dserts en technologie avance Silicium-Sur-Isolant

sub-0,13 m

prsente devant LInstitut National des Sciences Appliques de Lyon

pour obtenir

le grade de docteur de l'INSA

Ecole doctorale : Electronique, Electro-technique, Automatique

Spcialit : Dispositifs de l'lectronique intgre

par

Renaud DAVIOT Soutenue le 18/01/2006 devant la Commission dexamen

LISTE DES PROFESSEURS DE L'INSA DE LYON

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Novembre 2003


Institut National des Sciences Appliques de Lyon Directeur : STORCK A. Professeurs :

AMGHAR Y. LIRIS AUDISIO S. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE BABOT D. CONT. NON DESTR. PAR RAYONNEMENTS IONISANTS BABOUX J.C. GEMPPM*** BALLAND B. PHYSIQUE DE LA MATIERE BAPTISTE P. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS BARBIER D. PHYSIQUE DE LA MATIERE BASKURT A. LIRIS BASTIDE J.P. LAEPSI**** BAYADA G. MECANIQUE DES CONTACTS BENADDA B. LAEPSI**** BETEMPS M. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE BIENNIER F. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS BLANCHARD J.M. LAEPSI**** BOISSE P. LAMCOS BOISSON C. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE BOIVIN M. (Prof. mrite) MECANIQUE DES SOLIDES BOTTA H. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Dveloppement Urbain BOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Dveloppement Urbain BOULAYE G. (Prof. mrite) INFORMATIQUE BOYER J.C. MECANIQUE DES SOLIDES BRAU J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du btiment BREMOND G. PHYSIQUE DE LA MATIERE BRISSAUD M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE BRUNET M. MECANIQUE DES SOLIDES BRUNIE L. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION BUFFIERE J-Y. GEMPPM*** BUREAU J.C. CEGELY* CAMPAGNE J-P. PRISMA CAVAILLE J.Y. GEMPPM*** CHAMPAGNE J-Y. LMFA CHANTE J.P. CEGELY*- Composants de puissance et applications CHOCAT B. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine COMBESCURE A. MECANIQUE DES CONTACTS COURBON GEMPPM COUSIN M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures DAUMAS F. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et Thermique DJERAN-MAIGRE I. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL DOUTHEAU A. CHIMIE ORGANIQUE DUBUY-MASSARD N. ESCHIL DUFOUR R. MECANIQUE DES STRUCTURES DUPUY J.C. PHYSIQUE DE LA MATIERE EMPTOZ H. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION ESNOUF C. GEMPPM*** EYRAUD L. (Prof. mrite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE FANTOZZI G. GEMPPM*** FAVREL J. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS FAYARD J.M. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS FAYET M. (Prof. mrite) MECANIQUE DES SOLIDES FAZEKAS A. GEMPPM FERRARIS-BESSO G. MECANIQUE DES STRUCTURES FLAMAND L. MECANIQUE DES CONTACTS FLEURY E. CITI FLORY A. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATIONS FOUGERES R. GEMPPM*** FOUQUET F. GEMPPM*** FRECON L. (Prof. mrite) REGROUPEMENT DES ENSEIGNANTS CHERCHEURS ISOLES GERARD J.F. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES


4

GERMAIN P. LAEPSI**** GIMENEZ G. CREATIS** GOBIN P.F. (Prof. mrite) GEMPPM*** GONNARD P. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GONTRAND M. PHYSIQUE DE LA MATIERE GOUTTE R. (Prof. mrite) CREATIS** GOUJON L. GEMPPM*** GOURDON R. LAEPSI****. GRANGE G. (Prof. mrite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GUENIN G. GEMPPM*** GUICHARDANT M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE GUILLOT G. PHYSIQUE DE LA MATIERE GUINET A. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS GUYADER J.L. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE GUYOMAR D. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE HEIBIG A. MATHEMATIQUE APPLIQUEES DE LYON JACQUET-RICHARDET G. MECANIQUE DES STRUCTURES JAYET Y. GEMPPM*** JOLION J.M. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION JULLIEN J.F. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures JUTARD A. (Prof. mrite) AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE KASTNER R. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Gotechnique KOULOUMDJIAN J. (Prof. mrite) INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION LAGARDE M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE LALANNE M. (Prof. mrite) MECANIQUE DES STRUCTURES LALLEMAND A. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et thermique LALLEMAND M. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et thermique LAREAL P (Prof. mrite) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Gotechnique LAUGIER A. (Prof. mrite) PHYSIQUE DE LA MATIERE LAUGIER C. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE LAURINI R. INFORMATIQUE EN IMAGE ET SYSTEMES DINFORMATION LEJEUNE P. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE LUBRECHT A. MECANIQUE DES CONTACTS MASSARD N. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITE MAZILLE H. (Prof. mrite) PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE MERLE P. GEMPPM*** MERLIN J. GEMPPM*** MIGNOTTE A. (Mle) INGENIERIE, INFORMATIQUE INDUSTRIELLE MILLET J.P. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE MIRAMOND M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine MOREL R. (Prof. mrite) MECANIQUE DES FLUIDES ET DACOUSTIQUES MOSZKOWICZ P. LAEPSI**** NARDON P. (Prof. mrite) BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS NAVARRO Alain (Prof. mrite) LAEPSI**** NELIAS D. LAMCOS NIEL E. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE NORMAND B. GEMPPM NORTIER P. DREP ODET C. CREATIS** OTTERBEIN M. (Prof. mrite) LAEPSI**** PARIZET E. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE PASCAULT J.P. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES PAVIC G. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE PECORARO S. GEMPPM PELLETIER J.M. GEMPPM*** PERA J. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Matriaux PERRIAT P. GEMPPM*** PERRIN J. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITE PINARD P. (Prof. mrite) PHYSIQUE DE LA MATIERE PINON J.M. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION PONCET A. PHYSIQUE DE LA MATIERE POUSIN J. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUE PREVOT P. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITE PROST R. CREATIS** RAYNAUD M. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matriaux REDARCE H. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE RETIF J-M. CEGELY* REYNOUARD J.M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures RICHARD C. LGEF RIGAL J.F. MECANIQUE DES SOLIDES RIEUTORD E. (Prof. mrite) MECANIQUE DES FLUIDES ROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. mrite) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES ROUBY D. GEMPPM*** ROUX J.J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON Thermique de lHabitat RUBEL P. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION SACADURA J.F. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matriaux SAUTEREAU H. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES


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SCAVARDA S. (Prof. mrite) AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE SOUIFI A. PHYSIQUE DE LA MATIERE SOUROUILLE J.L. INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLE THOMASSET D. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE THUDEROZ C. ESCHIL Equipe Sciences Humaines de lInsa de Lyon UBEDA S. CENTRE DINNOV. EN TELECOM ET INTEGRATION DE SERVICES VELEX P. MECANIQUE DES CONTACTS VERMANDE P. (Prof mrite) LAEPSI VIGIER G. GEMPPM*** VINCENT A. GEMPPM*** VRAY D. CREATIS** VUILLERMOZ P.L. (Prof. mrite) PHYSIQUE DE LA MATIERE

Directeurs de recherche C.N.R.S. :

BERTHIER Y. MECANIQUE DES CONTACTS CONDEMINE G. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE COTTE-PATAT N. (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE ESCUDIE D. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON FRANCIOSI P. GEMPPM*** MANDRAND M.A. (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE POUSIN G. BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE ROCHE A. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES SEGUELA A. GEMPPM*** VERGNE P. LaMcos

Directeurs de recherche I.N.R.A. :

FEBVAY G. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS GRENIER S. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS RAHBE Y. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS

Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. :

KOBAYASHI T. PLM PRIGENT A.F. (Mme) BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE MAGNIN I. (Mme) CREATIS**

* CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON ** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET DAPPLICATIONS EN TRAITEMENT DE

LIMAGE ET DU SIGNAL ***GEMPPM GROUPE D'ETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES

MATERIAUX ****LAEPSI LABORATOIRE DANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES PROCEDES ET

SYSTEMES INDUSTRIELS

LISTE DES COLES DOCTORALES DE LYON

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LISTE DES ECOLES DOCTORALES DE LYON EN 2005

SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE

CHIMIE DE LYON Responsable : M. Denis SINOU

M. Denis SINOU Universit Claude Bernard Lyon 1 Lab Synthse Asymtrique UMR UCB/CNRS 5622 Bt 308 2me tage 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tl : 04.72.44.81.83 Fax : 04 78 89 89 14 [email protected]

E2MC

ECONOMIE, ESPACE ET MODELISATION DES COMPORTEMENTS

Responsable : M. Alain BONNAFOUS

M. Alain BONNAFOUS Universit Lyon 2 14 avenue Berthelot MRASH M. Alain BONNAFOUS Laboratoire dEconomie des Transports 69363 LYON Cedex 07 Tl : 04.78.69.72.76 [email protected]

EEA

ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE http://www.insa-lyon.fr/eea/

Responsable : M. Daniel BARBIER

M. Daniel BARBIER INSA DE LYON Laboratoire Physique de la Matire Btiment Blaise Pascal 69621 VILLEURBANNE Cedex Tl : 04.72.43.64.43 Fax 04 72 43 60 82 [email protected]

E2M2

EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2

Responsable : M. J.-P. FLANDROIS

M. Jean-Pierre FLANDROIS Universit Claude Bernard Lyon 1 UMR 5558 Biomtrie et Biologie Evolutive Facult de Mdecine Lyon-Sud Laboratoire de Bactriologie BP 12 69600 OULLINS Tl : 04.78.86.31.50 Fax 04 72 43 13 88 [email protected]

EDIIS

INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR LA SOCIETE http://ediis.insa-lyon.fr/IIS/index.html

Responsable : M. Lionel BRUNIE

M. Lionel BRUNIE INSA DE LYON EDIIS Btiment Blaise Pascal 69621 VILLEURBANNE Cedex Tl : 04.72.43.60.55 Fax 04 72 43 60 71 [email protected]

EDISS

INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE http://www.ibcp.fr/ediss

Responsable : M. Alain Jean COZZONE

M. Alain Jean COZZONE IBCP (UCBL1) 7 passage du Vercors 69367 LYON Cedex 07 Tl : 04.72.72.26.75 Fax : 04 72 72 26 01 [email protected]

EDML

MATERIAUX DE LYON http://edml.ec-lyon.fr/

Responsable : M. Jacques JOSEPH

M. Jacques JOSEPH Ecole Centrale de Lyon Lab. Sciences et Techniques des Matriaux et des Surfaces 36 Avenue Guy de Collongue BP 163 69131 ECULLY Cedex Tl : 04.72.18.62.51 Fax 04 72 18 60 90 [email protected]

MathIF MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE FONDAMENTALE http://www.ens-lyon.fr/MathIF

Responsable : M. Franck WAGNER

M. Franck WAGNER Universit Claude Bernard Lyon1 Institut Camille Jordan, UMR 5028 Bureau 101 Bis, 1er tage 21, avenue Claude Bernard 69622 Villeurbanne Cedex Tl : 04.72.43.27.86 Fax : 04 72 43 16 87 [email protected]

MEGA

MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE http://mega.ec-lyon.fr/

Responsable : M. Franois SIDOROFF

M. Franois SIDOROFF Ecole Centrale de Lyon Lab. Tribologie et Dynamique des Systmes 36 avenue Guy de Collongue BP 163 69131 ECULLY Cedex Tl :04.72.18.62.14 Fax : 04 72 18 65 37 [email protected]

INTRODUCTION

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mon Pre et ma Mre, Isabelle,

merci pour votre soutient,

merci pour votre confiance, rien n'aurait t possible sans vous.

3

REMERCIEMENTS

e tiens dbuter ces remerciements en exprimant toute ma gratitude aux membres du jury de cette thse, notamment Richard Grisel, Professeur l'Universit de Rouen, et Jalal Jomaah, Professeur l'Institut National Polytechnique de Grenoble, pour avoir accepter d'tre les

rapporteurs de cet humble travail. Je remercie galement Daniel Barbier, Professeur au Laboratoire de Physique de la Matire Lyon, d'avoir consenti prsider ce jury. Je les remercie pour leur important travail lors de l'valuation de cette thse ainsi que pour les pertinents et fructueux changes en vue de cette soutenance, tout particulirement avec Richard Grisel.

our un docteur, la soutenance de sa thse est LA journe de sa vie, inoubliable et si cruciale, o la prsence du public est un support capital. De ce fait, j'adresse mes plus vifs et sincres remerciements tous ceux et celles qui ont t les tmoins de cette soutenance

et, tout particulirement, Grard Pignault, Directeur de CPE Lyon, qui m'a fait l'immense honneur d'assister l'ensemble de cette journe. Sa prsence m'a profondment touch.

ette thse ne se serait pas accomplie sans le support financier de l'INSTN. Ce travail n'aurait galement pu voir le jour sans la persvrance, les encouragements et les inestimables conseils de Nacer Abouchi, Directeur de cette thse et Professeur CPE

Lyon, de Stphanie Chouteau, Chercheur ST-Microelectronics, et d'Olivier Rozeau, Chercheur au CEA-Lti, qui fut mon mentor et mon SOI-dole pendant ces longues annes de recherche. Ils ont paul plus de trois ans un doctorant qui, telle Pnlope, dfaisait la nuit ce qu'il avait accompli le jour. Je tiens particulirement les remercier pour avoir apport leurs comptences et leurs professionnalismes ce travail, pour leur disponibilit et leur aide efficace, notamment Olivier Rozeau, et enfin pour avoir support un docteur pour qui la notion du temps est trs relative.

e suis profondment reconnaissant envers Franois Vacherand, Directeur de l'ancien laboratoire MAR au CEA-Lti, qui a soutenu cette thse et qui m'a accept au sein de son laboratoire. J'exprime toute ma gratitude Roland Blanpain, Responsable du Service SIT au

CEA-Lti ainsi qu' tous les membres de ce service pour leur accueil chaleureux, mme s'il est regrettable qu'aux yeux des grenoblois, Lyon leur parat si loin. Je tiens plus particulirement saluer la sympathie et l'affection stimulante d'Anne-Sophie Royer, de Christophe Delaveaud et de Jean-Rmi Savel, mes prcieux compagnons de bureau.

'aide de Nicolas Corrao, Ingnieur l'IMEP, m'a t particulirement prcieuse plusieurs moments importants durant cette tude. Ses inestimables connaissances en RF m'ont permis d'avancer rapidement dans la mise au point du banc de mesure en bruit. Je tiens

lui adresser mes remerciements les plus chaleureux. J'espre que notre travail continuera faire du bruit l'IMEP !

'autres acteurs sont intervenus ponctuellement durant ces annes de recherche. Leur aide ou leur soutien ont contribu significativement ce travail. Je souhaite remercier plus spcialement : Jean-Michel Fournier, Professeur l'IMEP, Carlo Tinella, Ingnieur

ST-Microelectronics, Philippe Boulerne, Directeur d'Athena Microwaves, ainsi que tout mes collgues de CPE Lyon dont notamment : Jean-Marie Becker, Franois Joly, Thierry Tixier, Evelyne Steffen, Monique Chiollaz, Thierry Tizon et tous les autres

es annes de thse ne se seraient pas coules si rapidement sans la prsence et le soutient du grand Chevalier Gregory, d'Aurlie et Christophe, de Bou et Magali, d'Audrey et Eric, de Philippe-Andr, de Yannick et Isabelle, de Nadine et des familles Billard, Bonnay et

J

P C

J

L D C

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Brisseault. Je vous transmets mes remerciements les plus chaleureux et sincres. Pour tous les autres que je n'aurai pas mentionns, ne voyez juste qu'une regrettable omission de ma part.

e souhaite terminer ce chapitre en remerciant les personnes qui me sont les plus chres : Nicolas, Camille, Laurence, Emmanuel, Roselyne et Isabelle. Je souhaite faire une mention toute particulire mes parents. Je suis profondment reconnaissant pour tout ce que vous m'avez apport, vous avez eu foi en moi et vous m'avez permis de concrtiser mes rves de

jeunesse. Maintenant, une nouvelle vie scientifique s'ouvre moi que j'espre remplie d'merveillements.

La thorie, c'est quand on sait tout et que rien ne fonctionne. La pratique, c'est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi. Ici, nous avons runi thorie et pratique : Rien ne fonctionne... et personne ne sait pourquoi ! Albert Einstein

J

INTRODUCTION

5

RESUME

13

Rsum en franais

Le premier objectif de cette thse tait d'tudier les performances en micro-ondes des MOSFET intgrs en technologie Silicium-Sur-Isolant (SOI) dont les dimensions minimales sont infrieures 0,13 m. Le second objectif tait de montrer leurs potentialits au sein de circuits intgrs faible consommation, fonctionnant dans les micro-ondes, c'est--dire de quelques GHz quelques dizaines de GHz, et mme au-del. Ainsi, ce mmoire montre les possibilits ainsi que les limites de cette technologie de part une analyse du fonctionnement des MOSFET SOI partiellement dserts dans les micro-ondes, accompagne, en parallle, d'une tude du bruit micro-ondes intrinsque. Ce manuscrit indique galement les impacts des diffrents effets parasites sur le fonctionnement dans les micro-ondes des MOSFET SOI en fonction de la structure des composants utiliss. L'tude s'achve sur une analyse des potentialits ainsi que du comportement des futures structures en technologie Silicium-Sur- Isolant. MOSFET, SOI, bruit, micro-ondes, paramtres S, caractrisation, bruit thermique, quatre paramtres de bruit, effet canal court, ionisation par impact, effet kink, effet bipolaire parasite, ajustement de paramtres, substrat, temprature, auto-chauffement, partiellement dsert, body flottant, body connect, haute rsistivit.

Rsum en anglais

First goal of this thesis was to study the microwaves performances of integrated MOSFET made by Silicon-On-Insulator technology (SOI) whose low size limits are lower than 0,13 m. Second goal was to show their potentialities within low power microwaves integrated circuits from some GHz to a few tens of GHz, and much more. Thus, this report shows the possibilities as well as the limits of this technology with an analysis of microwaves behavioural of partially deserted SOI MOSFET, and, in parallel, a study of microwaves intrinsic noise. This manuscript also indicates impacts of various parasitic effects on SOI MOSFET microwaves behavioural, according to the components structure. The study finished with an analysis of potentialities as well as behaviour of new Silicon-On-Insulator devices.

MOSFET, SOI, noise, microwaves, S parameters, characterization, thermal noise, four noise parameters, short channel effect, impact ionization, kink effect, bipolar effect, parameters fitting, substrate, temperature, self heating effects, partially deserted, floating body, body connected, high resistivity.

SOMMAIRE

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SOMMAIRE

Liste des Professeurs de l'INSA de Lyon ...................................................................... 3 Liste des coles doctorales de Lyon en 2005 ................................................................. 7 Remerciements ............................................................................................................. 11 Sommaire ..................................................................................................................... 17 Liste des figures ........................................................................................................... 21 Liste des tableaux......................................................................................................... 29 Introduction ................................................................................................................. 31

1- Les dispositifs intgrs .............................................................................................. 32 2- Les diffrentes technologies ...................................................................................... 33 3- Historique du SOI ..................................................................................................... 34

3.1 La technologie Silicon-On-Sapphire.................................................................................... 35 3.2 ELO et ZMR ........................................................................................................................ 35 3.3 FIPOS .................................................................................................................................. 36 3.4 Le procd SIMOX.............................................................................................................. 36

3.4.1 MICROX ..................................................................................................................... 36 3.5 Bonded SOI ......................................................................................................................... 37 3.6 En rsum ............................................................................................................................ 38

4- Diffrences entre Si massif et SOI ........................................................................... 39 5- Prsentation du mmoire .......................................................................................... 40

Bibliographie ............................................................................................................... 42 Chapitre I : La technologie SOI 130 nm .................................................................... 45

1. La technologie SOI .................................................................................................... 45 1.1. La dsertion dans les MOSFET SOI ............................................................................... 45 1.2. Description de la technologie .......................................................................................... 48

2. Le MOSFET .............................................................................................................. 48 2.1. Le fonctionnement des MOSFET en statique ................................................................. 48

2.1.1. Les rgimes de fonctionnement .................................................................................. 49 2.1.2. La tension de seuil ...................................................................................................... 53 2.1.3. Le courant drain-source .............................................................................................. 53

2.1.3.1. Courant en inversion faible et pente sous le seuil ............................................... 54 2.1.3.2. Rgime d'inversion forte ..................................................................................... 54

2.2. Les phnomnes parasites dans le MOSFET .................................................................. 55 2.2.1. La mobilit effective ................................................................................................... 56 2.2.2. Les effets de canal court .............................................................................................. 58

2.2.2.1. Modulation de la longueur de canal .................................................................... 58 2.2.2.2. Vitesse de saturation ............................................................................................ 60 2.2.2.3. Le partage des charges ........................................................................................ 61 2.2.2.4. L'effet de canal court inverse............................................................................... 63 2.2.2.5. Effet de rduction de la barrire de potentiel induit par le drain ......................... 63 2.2.2.6. L'effet de perage ................................................................................................ 64

SOMMAIRE

16

2.2.2.7. Rsum des effets de canal court ........................................................................ 65 2.2.3. Les effets de canal troit ............................................................................................. 66 2.2.4. Les effets lis la grille .............................................................................................. 67

2.2.4.1. paisseur effective de grille ................................................................................ 67 Effets de polydsertion .................................................................................................... 67 Les effets quantiques ....................................................................................................... 68

2.2.4.2. Le courant de grille ............................................................................................. 68 2.2.4.3. Effet GIDL .......................................................................................................... 70

2.2.5. L'ionisation par impact ................................................................................................ 71 2.2.6. Les claquages et le rgime d'avalanche ....................................................................... 72 2.2.7. Les rsistances et capacits sries ............................................................................... 73

2.2.7.1. Les rsistances sries ........................................................................................... 73 2.2.7.2. Les LDD .............................................................................................................. 73 2.2.7.3. Les capacits de recouvrement ............................................................................ 74

3. Les effets physiques lis la technologie SOI ......................................................... 74 3.1. Les effets thermiques ...................................................................................................... 74 3.2. Les effets lis au potentiel de substrat flottant ................................................................ 75

3.2.1. L'effet kink ............................................................................................................. 75 3.2.2. L'effet GIFBE ............................................................................................................. 77 3.2.3. L'effet transistor bipolaire parasite .............................................................................. 78 3.2.4. Les effets transitoires .................................................................................................. 79 3.2.5. Les MOSFET SOI body connect ....................................................................... 80

4. Conclusion .................................................................................................................. 81 Bibliographie ............................................................................................................... 82 Chapitre II : Mthode de caractrisation micro-ondes des MOSFET SOI .............. 89

1- La rponse frquentielle ........................................................................................... 89 1.1 Le signal analogique micro-onde ......................................................................................... 90 1.2 Les moyens de mesures ....................................................................................................... 90 1.3 Le calibrage ......................................................................................................................... 91

1.3.1 SOLT ........................................................................................................................... 92 1.3.2 TRL/LRM .................................................................................................................... 92 1.3.3 Mthode de calibrage choisie et Prcautions prendre pour la mesure ....................... 93

2- Extraction de paramtres ......................................................................................... 94 2.1 L'pluchage .......................................................................................................................... 95 2.2 Correction des erreurs lies aux lignes d'accs .................................................................... 99 2.3 Modlisation du MOSFET SOI ......................................................................................... 100

2.3.1 Modlisation des lments extrinsques .................................................................... 101 2.3.1.1 Les capacits extrinsques ................................................................................. 101 2.3.1.2 Les impdances sries ........................................................................................ 102

2.3.2 Modlisation des lments intrinsques du MOSFET SOI partiellement dsert ...... 104 2.3.2.1 Les admittances drain/source ............................................................................. 105

2.3.2.1.1 La conductance de sortie ............................................................................ 106 2.3.2.1.2 Les trans-admittances ................................................................................. 107

2.3.2.2 Les effets capacitifs ............................................................................................ 108 2.3.2.3 La rgion de body .......................................................................................... 109

2.3.3 Le substrat .................................................................................................................. 110 2.3.4 Les effets non quasi-statique ...................................................................................... 110

2.4 L'extraction ........................................................................................................................ 111 2.4.1 Techniques d'ajustement de courbes .......................................................................... 112 2.4.2 Mthodes dterministes.............................................................................................. 113 2.4.3 Mthodes d'optimisation linaire ............................................................................... 114

2.4.3.1 tude du transistor froid ................................................................................ 114 2.4.3.2 MOSFET en inversion forte et Vds=0 V ............................................................. 115 2.4.3.3 Polarisation quelconque ..................................................................................... 115

2.4.4 Optimisation non linaire ........................................................................................... 116 3- Performances micro-ondes des MOSFET SOI partiellement dserts 130 nm . 119

SOMMAIRE

17

Le gain transducique ....................................................................................... 119 Le critre de stabilit ....................................................................................... 119 Le gain unilatral ............................................................................................ 119 Le gain disponible maximum .......................................................................... 119 Frquence de transition du gain en courant ..................................................... 119 Frquence maximale d'oscillation ................................................................... 120

4- Conclusion ................................................................................................................ 121 Bibliographie ............................................................................................................. 122 Chapitre III : Evaluation du bruit dans les MOSFET SOI ..................................... 127

1- Le bruit lectronique ............................................................................................... 127 1.1 Modlisation des sources de bruit ...................................................................................... 128

1.1.1 Circuit quivalent ....................................................................................................... 128 1.1.2 Les sources de bruit globales ..................................................................................... 129

1.2 Les quatre paramtres de bruit ........................................................................................... 131 1.2.1 Notion de figure de bruit ............................................................................................ 132 1.2.2 Temprature de bruit .................................................................................................. 134 1.2.3 Sources de bruit & facteur de bruit ............................................................................ 134 1.2.4 Les quatre paramtres de bruit ................................................................................... 135 1.2.5 Facteur de bruit et gain en puissance ......................................................................... 137

1.3 La mesure du bruit dans les micro-ondes .......................................................................... 137 1.3.1 Le banc de mesure ..................................................................................................... 137 1.3.2 Le calibrage ................................................................................................................ 140 1.3.3 Les mthodes de mesure du bruit ............................................................................... 141

1.3.3.1 Le facteur Y........................................................................................................ 141 1.3.3.2 La mthode F50 ................................................................................................... 142 1.3.3.3 La mthode cold source ................................................................................. 142

1.3.4 Dtails sur la mthode choisie.................................................................................... 144 1.4 Mthode d'extraction ......................................................................................................... 146

2- Les sources de bruit intrinsques ........................................................................... 147 2.1 La couleur du bruit............................................................................................................. 147

Les bruits blancs ............................................................................................. 147 Les bruits colors ............................................................................................ 148

2.2 Les sources de bruit ........................................................................................................... 148 2.2.1 Le bruit thermique ...................................................................................................... 148

2.2.1.1 Le bruit de diffusion ........................................................................................... 149 2.2.2 Le bruit de grenaille ................................................................................................... 150 2.2.3 Le bruit de gnration-recombinaison ....................................................................... 152 2.2.4 Le bruit de flicker .................................................................................................. 152

2.2.4.1 Variation de la densit des porteurs ................................................................... 153 2.2.4.2 Variation de la mobilit ...................................................................................... 154

2.3 Limite bruit BF/bruit micro-onde ...................................................................................... 154 2.4 Les modles de bruit .......................................................................................................... 155

2.4.1 Le bruit dans le canal ................................................................................................. 155 2.4.2 Le bruit dans la grille ................................................................................................. 158 2.4.3 Corrlation entre Sich et Sigc ....................................................................................... 159 2.4.4 Modle de Van Der Ziel............................................................................................. 159

2.4.4.1 Le bruit vu l'entre du quadriple .................................................................... 160 2.4.4.2 Le bruit vu la sortie du quadriple ................................................................... 161

3- Conclusion ................................................................................................................ 162 Bibliographie ............................................................................................................. 163 Chapitre IV : Etude micro-ondes des MOSFET SOI partiellement dserts ......... 167

1- Les effets thermiques .............................................................................................. 167 1.1 Les sources thermiques ...................................................................................................... 168 1.2 Modlisation de la temprature dans le MOSFET SOI ..................................................... 169

SOMMAIRE

18

1.2.1 Impact de la temprature sur les paramtres physiques ............................................. 169 1.2.2 Mthode analogique pour l'extraction des paramtres thermiques ............................. 173 1.2.3 La rsistance thermique ............................................................................................. 174

1.3 Impact de la temprature sur les MOSFET SOI ................................................................ 178 2- Les effets lis au potentiel flottant du body ...................................................... 182

2.1 L'ionisation par impact ...................................................................................................... 182 2.2 Leffet kink et transistor bipolaire parasite .................................................................... 183

2.2.1 L'effet kink ............................................................................................................ 183 2.2.2 Effet bipolaire parasite ............................................................................................... 189

3- La rsistivit du substrat ........................................................................................ 192 3.1 Intrts de la haute rsistivit............................................................................................. 192 3.2 Impact de la rsistivit de substrat sur les performances micro-ondes .............................. 193 3.3 Impact de la rsistivit du substrat sur les performances en bruit ...................................... 195 3.4 Conclusion ......................................................................................................................... 199

4- Conclusion du chapitre ........................................................................................... 199 Bibliographie ............................................................................................................. 200 CONCLUSION ............................................................................................................... 205 Annexe I Aspects mathmatiques ............................................................................... i

1. La loi binomiale ............................................................................................................ i 2. La loi normale ............................................................................................................... i 3. La loi de Poisson .......................................................................................................... ii 4. lments de traitement du signal ............................................................................... ii 5. La densit spectrale de puissance ............................................................................. iii

Annexe II Notions de physique ................................................................................. iv 1. Rappels de physique ................................................................................................... iv 2. Transmission des ondes ............................................................................................. iv 3. Paramtres physiques de matriaux .......................................................................... v

Annexe III Les quadriples ....................................................................................... vi 1. Paramtres chanes ................................................................................................... vii 2. Paramtres impdances ........................................................................................... viii 3. Paramtres admittances ............................................................................................ ix 4. Paramtres hybrides ................................................................................................... x 5. Paramtres S ............................................................................................................... xi

Annexe IV Les gains................................................................................................. xii Annexe V Mthode de mesure du bruit .................................................................. xiii Annexe VI Estimation de la temprature .............................................................. xvii

1. quations diffrentielles ......................................................................................... xvii Annexe VII Mthode d'pluchage .......................................................................... xxi Annexe VIII Appareils de mesure........................................................................... xxi Annexe VIII Appareils de mesure.......................................................................... xxii Bibliographie ............................................................................................................ xxiii

INTRODUCTION

19

LISTE DES FIGURES

19

LISTE DES FIGURES

Introduction Figure 1 : Exemple d'un schma possible d'un tlphone cellulaire avec ses tages de rception et

d'mission. ................................................................................................................................. 32 Figure 2 : Octogone reprsentant les paramtres ajuster lors de la conception de circuits

analogiques. ............................................................................................................................... 33 Figure 3 : Reprsentation des performances des technologies par rapport aux applications micro-

ondes[5] ....................................................................................................................................... 34 Figure 4 : Processus de fabrication des plaques SOS. ........................................................................... 35 Figure 5 : Procd de fabrication des tranches SOI par a) ELO et b) ZMR..................................... 35 Figure 6 : Processus de fabrication de plaques SOI par la technique SIMOX. ................................ 36 Figure 7 : Procd de fabrication de plaques SOI par le procd Smart-Cut ................................. 37 Figure 9 : Reprsentation de diverses structures de MOSFET a) sur silicium massif et b) sur

Silicium-Sur-Isolant (SOI). ..................................................................................................... 39

Chapitre I : La technologie SOI 130 nm Figure 1 : a) Schma d'un MOSFET SOI vu en coupe paralllement la longueur du canal. b)

Vue du MOSFET SOI au microscope lectronique balayage. ....................................... 46 Figure 2 : Schma capacitif quivalent du MOSFET SOI compltement dsert d'aprs [2]. ......... 47 Figure 3 : Le MOSFET canal n sur substrat massif. a) schma du transistor; b) illustration du

potentiel distribu dans le transistor...................................................................................... 49 Figure 4 : Diagramme de bandes d'nergies pour un MOSFET canal n dsertion. MOSFET

en rgime a) accumulation; b) dsertion; c) inversion faible; d) inversion forte. ............ 49 Figure 5 : Visualisation des quantits de charges par unit de surface prsentes dans le MOSFET

pour chaque rgime de fonctionnement[6]. ........................................................................... 50 Figure 6 : Reprsentation idale des quantits de charges dans le silicium en fonction de Vgb,

d'aprs [4-7]. Les rgimes de fonctionnement sont indiqus ainsi que leurs potentiels spcifiques Vgb. ......................................................................................................................... 51

Figure 7 : Reprsentation des diverses zones de fonctionnement du MOSFET en fonction de la polarisation Vgs et de Vds (Vsb est constant) ou de Vsd (Vdb est constant), d'aprs [4-7]. droite, dans l'encadr, l'volution du potentiel de surface dans le canal du ct du drain est reprsente en fonction de Vds, pour une polarisation Vgb donne, d'aprs [5]. ......... 52

Figure 8 : Reprsentation des lignes de champ lectrique dans le MOSFET. L'orientation des vecteurs des champs lectriques E est illustre droite. .................................................... 55

Figure 9 : Caractristiques d'un nMOSFET SOI body flottant avec Lg = 0,12 m et W = 2,5 m pour deux polarisations distinctes de Vds, d'aprs. ....................................................... 56

Figure 10 : Variations de la caractristique dIds/dVgs en fonction de Vgs et deVsb, pour un nMOSFET SOI partiellement dsert avec Lg = 5 m et W = 2,5 m, d'aprs[11]. Vsb varie de -0.5 V 1 V par pas de 0,25 V, Vds = 0,1 V. ......................................................... 57

Figure 11 : Modulation de la longueur du canal pour un MOSFET en saturation. a) Vds=Vds,sat; b) Vds>Vds,sat; c) reprsentation du champ lectrique longitudinal dans le canal en fonction de la longueur pour Vds>Vds,sat. ............................................................................................... 58

LISTE DES FIGURES

20

Figure 12 : Reprsentation de Ids(Vds) pour un MOSFET prsentant l'effet de modulation de la longueur de canal. .................................................................................................................... 59

Figure 13 : Ids,sat(Lg) pour diffrents MOSFET SOI partiellement dserts, d'aprs . ....................... 60 Figure 14 : Visualisation des effets lis au partage des charges par comparaison de la rgion de

dsertion sous le canal pour, a), un MOSFET SOI canal long et, b), canal court. Un grossissement de la rgion de dsertion est donn en c). ................................................... 61

Figure 15 : Reprsentation du phnomne de partage des charges dans un MOSFET canal long, a), et canal court, b). .............................................................................................................. 62

Figure 16 : Variations de la tension de seuil en fonction de la longueur du canal pour diffrents MOSFET SOI partiellement dserts en technologie 0,13 m. Vds = 1,2V. .................. 62

Figure 17 : Variations de la tension de seuil en fonction de la longueur du canal en utilisant les paramtres extraits pour BSIMSOI 2.2 pour la technologie MOSFET SOI 0,13 m body connecte. .................................................................................................................... 63

Figure 18 : Effets DIBL sur la caractristique Ids(Vds) prononcs pour un nMOSFET SOI partiellement dsert de longueur 0,12 m gauche, par rapport un dispositif avec Lg=2 m droite ...................................................................................................................... 64

Figure 19 : Oxydes de champ pour des MOSFET SOI partiellement dsert avec des Structures a) LOCOS; b) STI. ................................................................................................................... 66

Figure 20 : Reprsentation des transistor latraux pour une structure LOCOS. .............................. 66 Figure 21 : Reprsentation de l'paisseur effective de l'oxyde de grille dans un MOSFET a) et

illustration des effets de mcanique quantique et de polydsertion par le diagramme des bandes b). .................................................................................................................................. 68

Figure 22 : Structure de bandes lorsque le courant de grille se manifeste ......................................... 69 Figure 23 : Reprsentation des courants tunnel traversant l'oxyde de grille d'un MOSFET canal

n, d'aprs[25]. ............................................................................................................................... 70 Figure 24 : Variations de la caractristique Ids(Vgs) en fonction de Vds pour un MOSFET SOI

partiellement dserts en technologie 0,13 m. Lg = 0,13 m et W = 5 m. Lorsque Vds = 1,2 V et Vgs < -0,4 V, les effets GIDL apparaissent. ...................................................... 70

Figure 25 : Reprsentation de la structure des bandes proche de la rgion de drain, avec l'effet GIDL ......................................................................................................................................... 71

Figure 26 : Schmatisation du processus d'ionisation par impact dans un MOSFET canal n..... 72 Figure 27 : Reprsentation des rsistances sries dans les zones source et drain du MOSFET SOI.

a) 4 rsistances composent les rsistances sries. b) Polarisation du MOSFET avec les rsistances sries. ...................................................................................................................... 73

Figure 28 : MOSFET SOI partiellement dsert avec les effets de substrat flottant l'effet kink. .................................................................................................................................................... 76

Figure 29 : Effets lis au potentiel flottant de la zone body flottant sur les caractristiques Ids(Vds) et gds(Vds), pour plusieurs polarisation de Vgs. .......................................................... 76

Figure 30 : Effets kink sous le seuil sur la caractristique log(Ids(Vgs)) pour Vds=1,4 V. nMOSFET SOI partiellement dsert, + :body connect; o : body flottant. ......... 77

Figure 31 : Effets GIFBE sur la caractristique gm(Vgs) pour Vds = 0,3 V. nMOSFET SOI partiellement dsert avec Lg = 0,5 m et W = 50 m. ...................................................... 77

Figure 32 : MOSFET SOI partiellement dsert avec les effets de substrat flottant l'effet bipolaire parasite. ..................................................................................................................... 78

Figure 33 : Caractristiques statiques du MOSFET SOI partiellement dsert body flottant tudi dans ce paragraphe. ...................................................................................................... 78

Figure 34 : Schma de MOSFET SOI a) body li, b) body connect avec une grille en T et c) body connect avec une grille en H. ...................................................................... 80

Figure 35 : Variations de la caractristique Ids(Vds) en fonction de la structure des MOSFET SOI partiellement dserts en technologie 0,13 m. Lg = 0,13 m et W = 5 m et Vgs = 0,8 V. ................................................................................................................................................ 80

LISTE DES FIGURES

21

Chapitre II : La caractrisation micro-onde des MOSFET

Figure 1 : Schma bloc du fonctionnement d'un VNA ........................................................................ 91 Figure 2 : Schma du banc pour la mesure des paramtres S du DUT .............................................. 91 Figure 3 : Structures utilises pour les diffrentes techniques de calibrage; a) motif open; b)

motif short; c) motif thru line; d) motif load. .......................................................... 92 Figure 4 : Diagramme refltant la chronologie suivre pour l'tude des paramtres petit signal des

transistors. ................................................................................................................................. 94 Figure 5 : Reprsentations du MOSFET SOI avec ses lignes d'accs et ses plots. a) Dessin du

MOSFET SOI avec deux niveaux de mtallisation, les chelles ne sont pas respectes. B) Schma quivalent des plots et lignes d'accs avec leurs contributions. ..................... 95

Figure 6 : Motifs employs pour l'pluchage. a) motif circuit ouvert ou Open; b) motif court-circuit ou Short; c) ligne de transmission ou Thru; d) charges adaptes ou Load. .................................................................................................................................................... 95

Figure 7 : Schma, sous forme de quadriple, reprsentant le transistor tudi entour des effets lis aux plots de contact et aux lignes d'accs. ..................................................................... 96

Figure 8 : Rsultats de diffrentes techniques d'pluchage applique aux paramtres S d'un MOSFET SOI partiellement dsert body flottant. a) paramtres S11 ; a) paramtres S21. ............................................................................................................................................... 98

Figure 9 : Evolution des frquences de coupures fT et fmax en fonction de Vgs en utilisant diffrentes mthodes d'pluchage applique aux paramtres S d'un MOSFET SOI partiellement dsert body flottant. ................................................................................ 99

Figure 10 : Visualisation des admittances rsiduelles des lignes d'accs extraites suivant les deux mthodes prsentes. ............................................................................................................. 100

Figure 11 : a) Reprsentation des effets du champ lectrique dans le MOSFET SOI. b) Effets du champ lectrique transversal sur les charges de la rgion n+. .......................................... 101

Figure 12 : volution des capacits extrinsques en fonction de la largeur totale de grille ou de la longueur de grille. L'estimation de leurs valeurs est assure grce la mthode d'ajustement de courbes donne un peu plus loin dans ce chapitre. .............................. 102

Figure 13 : a) Reprsentation des quatre effets rsistifs entranant l'existence de Rs et Rd. b) Structure multi-doigts ............................................................................................................ 103

Figure 14 : Comportement des rsistances en fonction des dimensions des MOSFET SOI partiellement dsert. ............................................................................................................. 103

Figure 15 : Modle comportemental simplifi en petit signal des lments extrinsques d'un MOSFET SOI partiellement dsert. ................................................................................. 104

Figure 16 : Vue en coupe d'une structure multi-doigts d'un MOSFET SOI partiellement dsert pour les applications micro-ondes. gauche : l'application d'un signal analogique vgs() sur la grille induit une variation du courant ids(). Dans une reprsentation quadripolaire, ceci est symbolis par Y21. droite : illustration de la partie intrinsque du MOSFET SOI. ................................................................................................................. 104

Figure 17 : Reprsentation des chemins des courants dans le MOSFET SOI. G, D, S, B et M reprsente respectivement la grille, le drain, la source, la zone body et le substrat (masse). .................................................................................................................................... 105

Figure 18 : Modle comportemental en petit signal simplifi d'un MOSFET SOI partiellement dsert. Ce modle comprend les lments extrinsques ainsi que les admittances dfinies l'quation (8). ......................................................................................................... 105

Figure 19 : Caractristique statique gds(Vds) pour un MOSFET SOI partiellement dsert body flottant ave Lg=0,12 m et W = 120 m. ........................................................................... 107

Figure 20 : Caractristiques statiques gm(Vgs) pour un MOSFET SOI partiellement dsert body flottant ave Lg=0,12 m et W = 120 m. ............................................................. 108

LISTE DES FIGURES

22

Figure 21 : volution des capacits intrinsques en fonction de Vgs et de Vds. .............................. 109 Figure 22 : Modle comportemental simplifi en petit signal d'un MOSFET SOI partiellement

dsert. Ce modle comprend uniquement les lments intrinsques, les effets capacitifs sur les charges de la grille ainsi que les lments lis aux effets du potentiel flottant du body. ................................................................................................................. 109

Figure 23 : Reprsentation des chemins des courants dans le MOSFET SOI avec prise en compte du substrat, nud M. ............................................................................................................. 110

Figure 24 : Evolution des valeurs extraites des constantes de temps introduites par les effets non quasi-statique, en fonction de Lg et de Vds ........................................................................ 111

Figure 25 : Schma quivalent du comportement du MOSFET sur substrat massif en petit signal polaris froid : Vgs=0 V et Vds=0 V. ............................................................................. 114

Figure 26 : Organigramme dtaille de l'extraction des paramtres du MOSFET SOI. ............... 117 Figure 27 : Comparaison des paramtres extraits avec la mesure, en reprsentation polaire et

diagramme de Smith. Mesure et estimation du modle comportemental. f [10 MHz 65 GHz]. .................................................................................................................................. 118

Figure 28 : Variations de fT et de fmax en fonction de Ids et de la transconductance gm. Les symboles carrs ainsi que les triangles reprsentent respectivement les valeurs de fT et de fmax. .. 120

Figure 29 : Variations de fT en fonction de fmax pour diffrentes polarisations (Vds et Vgs). ........... 120

Chapitre III : Modlisation Figure 1 : Reprsentation des sources de bruit base sur le thorme de Thvenin ou de Norton.

.................................................................................................................................................. 128 Figure 2 : Sources de bruit en tension en srie et en parallle. .......................................................... 128 Figure 3 : Reprsentations quivalentes du bruit dans un quadriple. Le dispositif est considr

non bruit et les sources de bruit sont ramenes en entre ou en sortie du quadriple. .................................................................................................................................................. 129

Figure 4 : Dispositif "bruyant" reli une source de bruit ................................................................. 132 Figure 5 : Figure de bruit dlments cascads ..................................................................................... 133 Figure 6 : Reprsentation du facteur de bruit en fonction de l'admittance prsente par la source

.................................................................................................................................................. 135 Figure 7 : Variation de la figure de bruit en fonction de la rsistance quivalente de bruit.

a) Rn=10 ; b) Rn=100 ; c) Rn=1 k. .............................................................................. 136 Figure 8 : Schma du banc employ pour mesurer le bruit micro-onde dans les dispositifs sous

test (DUT). Le tuner est un CCMT-1808 de Focus. ......................................................... 138 Figure 9 : Schma simplifi du banc de mesure de bruit micro-onde. Illustration des gains

disponibles de puissance et des tempratures quivalentes de bruit pour chaque tage du banc. ................................................................................................................................... 140

Figure 10 : Schma simplifi d'un banc de mesure de bruit micro-onde. Le tuner peut parfois tre remplac par une liaison directe. .......................................................................................... 140

Figure 11 : Diffrences entre la mthode du facteur Y et la mthode hot/cold .................... 143 Figure 12 : Diagramme de la mthode de calibrage du banc de bruit et de mesure du bruit........ 144 Figure 13 : Synoptique de l'tude des niveaux de bruit dans les MOSFET SOI. ........................... 146 Figure 14 : Diffrentes reprsentations de densits spectrales du bruit. .......................................... 148 Figure 15 : Flux de courant au travers dune jonction p+-n ............................................................... 151 Figure 16 : Bruit de gnration-recombianison dans un semi-conducteur de type N. a) gnration;

b) recombinaison directe; c) pigeage; d) recombinaison par centres ............................ 152 Figure 17 : Densit spectrale du courant de drain en fonction de la frquence pour des MOSFET

SOI partiellement dserts body flottant ou non, pour diffrentes polarisation de Vds, d'aprs[52]........................................................................................................................... 154

LISTE DES FIGURES

23

Figure 18 : Reprsentation du rseau distribu de la structure grille-oxyde-canal pour les micro-ondes. ....................................................................................................................................... 156

Figure 19 : Evolution des sources de bruit en courant vues lentre et en sortie du MOSFET SOI en fonction du courant Ids. ............................................................................................ 157

Figure 20 : Evolution des sources de bruit en courant vues lentre et en sortie du MOSFET SOI en fonction de la frquence. ......................................................................................... 159

Figure 21 : Schma quivalent comportemental en petit signal du MOSFET SOI avec les sources de bruit. .................................................................................................................................... 160

Figure 22 : Reprsentation du modle de Van Der Ziel d'aprs[54] ................................................... 160

Chapitre IV : Mthodologie et rsultats Figure 1 : Principales interactions intervenant sur les porteurs dans un cristal. ............................. 170 Figure 2 : Evolution du courant de saturation Ids,sat en fonction de la temprature pour un

nMOSFET SOI partiellement dsert body connect comprenant un contact de body. Lg = 10 m et W = 2 m, d'aprs[17]. .................................................................... 170

Figure 3 : a) Evolution thorique de la vitesse de saturation des porteurs en fonction de la temprature du canal, d'aprs l'quation 7). b) Evolution du courant de saturation en fonction de la temprature pour un nMOSFET SOI body connect avec un contact de body. Lg = 0,28 m et W = 5 m, d'aprs[17]............................................... 171

Figure 4 : Evolution du courant de fuite Ids,off en fonction de la temprature pour un nMOSFET SOI body connect avec un contact de body. Lg = 0,28 m et W = 2 m, d'aprs[17]. ................................................................................................................................. 172

Figure 5 : Effets de la temprature sur les caractristiques statiques Ids(Vds), pour diffrentes valeurs de Vgs, pour un nMOSFET SOI body connect avec un contact de body. Lg = 0,28 m et W = 5 m, d'aprs[17]. ................................................................................ 172

Figure 6 : Variations de Tc -Tamb en fonction de Vgs et de la puissance consomme par un MOSFET SOI partiellement dsert avec la zone body connecte la source. ...... 173

Figure 7 : Reprsentation du flux thermique, dans un matriau, selon un axe Ox. ........................ 174 Figure 8 : Illustration des chemins possibles emprunts par le flux thermique depuis les sources

thermiques jusqu' l'environnement extrieur. .................................................................. 174 Figure 9 : Variations de la rsistance thermique en fonction des dimensions du transistor. ........ 175 Figure 10 : Illustration des chemins emprunts par le flux thermique depuis les sources

thermiques jusqu' l'environnement extrieur pour un MOSFET SOI partiellement dsert a) canal long et b) canal court. .......................................................................... 176

Figure 11 : a) Dessin au niveau des masques de la structure multi-doigts pour un MOSFET SOI partiellement dsert body connect. c) et b) Reprsentations schmatiques d'une structure multi-doigts. ........................................................................................................... 177

Figure 12 : Les frquences de coupure en fonction de la puissance du circuit pour des dispositifs MOSFET SOI partiellement dserts avec la zone body connect et la zone body flottante.................................................................................................................................... 179

Figure 13 : Reprsentation des paramtres de bruit de MOSFET SOI en fonction de la puissance fournie au dispositif et de sa longueur de grille. : Rn ; : NFmin ; : Gav. ................ 180

Figure 14 : Ecart de temprature dans le canal de MOSFET SOI partiellement dserts body connect en fonction de la puissance fournie aux dispositifs, de leur longueur de grille et pour des conditions de polarisation similaires. .............................................................. 181

Figure 15 : Phase de opt en fonction de la puissance fournie aux dispositifs. : Lg=0,12 m; : Lg=0,24 m. ............................................................................................................................ 181

Figure 16 : MOSFET SOI partiellement dsert avec les effets de substrat flottant l'effet kink. .................................................................................................................................................. 184

LISTE DES FIGURES

24

Figure 17 : Schma quivalent comportemental, en petit signal analogique micro-ondes, de la rgion body dun MOSFET SOI partiellement dsert body flottant. Cette reprsentation vient en adjonction du schma comportemental du MOSFET sur substrat massif. Le nud M reprsente le substrat ou la masse. ..................................... 184

Figure 18 : Variations des capacits de la rgion de body en fonction de la polarisation ......... 185 Figure 19 : Variations de la rsistance de la jonction body/source en fonction de Vds et de Vgs.

.................................................................................................................................................. 186 Figure 20 : Variations de gmdb et de gdb en fonction de Vgs et de Vds. .................................................. 187 Figure 21 : Variation de la densit spectrale de bruit vue la sortie des MOSFET SOI

partiellement dserts en fonction de la frquence et de la polarisation pour des structures body flottant et body connect. ........................................................... 188

Figure 22 : Evolution de la figure minimum de bruit et de la rsistance quivalente de bruit en fonction de Csb et de la frquence. : NFmin; : Rn. En bleu : f =6 GHz et en rouge : f =10 GHz. .............................................................................................................................. 188

Figure 23 : Evolution de la figure minimum de bruit et de la rsistance quivalente de bruit en fonction de gmdb et de la frquence. : NFmin; : Rn. En bleu : f =6 GHz et en rouge : f =10 GHz. .............................................................................................................................. 189

Figure 24 : Evolution de la figure minimum de bruit et de la rsistance quivalente de bruit en fonction de Cdb et de la frquence. : NFmin; : Rn. En bleu : f =6 GHz et en rouge : f =10 GHz. .............................................................................................................................. 189

Figure 25 : Comparaison des performances de gds entre des dispositifs body connect et des dispositifs body flottant.................................................................................................. 190

Figure 26 : Comparaison des performances de Cds entre des dispositifs body connect et des dispositifs body flottant.................................................................................................. 190

Figure 27 : Variations des valeurs des capacits lis la zone de body, Csb et Cdb, en fonction de la polarisation. ......................................................................................................................... 191

Figure 28 : Variations des valeurs de fmax en fonction de la polarisation pour un MOSFET SOI partiellement dsert body flottant, triangles, et body connect la source, carrs. ....................................................................................................................................... 191

Figure 29 : Reprsentation du couplage entre la zone active du transistor et le substrat. ............. 193 Figure 30 : Schma comportemental simplifi micro-ondes du MOSFET SOI partiellement

dsert. ..................................................................................................................................... 193 Figure 31 : Schma comportemental micro-ondes du MOSFET SOI partiellement dsert

body connect. Cette version prend en considration le substrat. ............................. 194 Figure 32 : gm,max, gds,min, Cgs,min et Cds,min en fonction de la longueur de la grille et de la rsistivit du

substrat..................................................................................................................................... 194 Figure 33 : fT,max et fmax,max en fonction de la longueur de la grille et de la rsistivit du substrat. .. 195 Figure 34 : Reprsentation comportementale du substrat dun MOSFET SOI partiellement

dsert et de sa rsistivit associe. ...................................................................................... 196 Figure 35 : Schma comportemental micro-ondes du MOSFET SOI partiellement dsert avec la

zone body connect la source. Les sources de bruit du canal, de la grille et du substrat sont indiques sur ce schma. ............................................................................... 196

Figure 36 : Source de bruit en courant en entre et sortie du MOSFET SOI partiellement dsert illustre en fonction de la frquence et de la rsistivit du substrat. .............................. 197

Figure 37 : Figure de bruit minimum et rsistance quivalente de bruit en fonction de la frquence et pour deux rsistivits du substrat. ................................................................. 198

Figure 38 : Figure de bruit minimum en fonction de la frquence et de la rsistivit du substrat. .................................................................................................................................................. 199

LISTE DES FIGURES

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Conclusion & Annexes Figure 1 : Reprsentation d'une variable alatoire gaussienne =0, =1 .......................................................... i Figure 2 : Banc de mesure pour l'tude du bruit dans les micro-ondes des dispositifs actifs. ....... xiii Figure 3 : modlisation des diffrentes pertes dans le banc de mesure. Les niveaux de bruit

ajouts la puissance de bruit mise par la source sont galement reprsents. ........... xiv Figure 4 : Dissipation lectrique dans un circuit. a) Modle compact quivalent de Cauer, b)

Modle compact quivalent de Foster. ............................................................................... xvii

INTRODUCTION

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LISTE DES TABLEAUX

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LISTE DES TABLEAUX

Chapitre I : La technologie SOI 130 nm Tableau 1 : Les diffrents rgimes de fonctionnement du MOSFET SOI en fonction des

paisseurs des zones de dsertion. ......................................................................................... 47 Tableau 2 : Reprsentation des diffrentes zones de fonctionnement du MOSFET. Les valeurs de

S et Vgb sont indiques aux frontires de chaque rgime. ................................................. 51 Tableau 3 : Impact des variations gomtriques et de polarisation sur les effets de canal court.... 65 Tableau 4 : Quelques valeurs typiques de la conductivit thermique de cristaux purs 300K..... 75

Chapitre II : La caractrisation micro-onde des MOSFET Tableau 1 : Expression de la conductance de drain en fonction des rgimes de fonctionnement :

inversion faible, inversion forte non satur et inversion forte satur. ............................ 106 Tableau 2 : Expression de la trans-admittance de grille en fonction des rgimes de

fonctionnement : inversion faible/inversion forte et saturation. .................................... 107 Tableau 3 : Classement des principales mthodes d'extraction en quatre catgories. .................... 113

Chapitre III : Modlisation Tableau 1 : Matrices de corrlation pour trois reprsentations diffrentes du bruit lectrique dans

un quadriple d'aprs [8]. ........................................................................................................ 130 Tableau 2 : Matrices de passage pour transforme une matrice de corrlation en une autre forme

matricielle. ............................................................................................................................... 131 Tableau 3 : Relation entre les paramtres de bruit : Rn, Ycor, Yopt, des transistors effet de champ.

.................................................................................................................................................. 142 Tableau 4 : Correspondance entre l'expression du facteur de bruit et celle de Fukui[28]. ............... 145 Tableau 5 : Rsultats donns par S. Haendler et F. Dieudonn ........................................................ 155 Tableau 6 : Dpendance des paramtres intrinsques et de bruit des MOSFET SOI en fonction

des dimensions, pour des structures multi-doigts, d'aprs[63]. .......................................... 162

Conclusion & Annexes Tableau 1 : Amlioration des performances des paramtres comportementaux des MOSFET SOI

partiellement dserts en fonction de la largeur de grille et du nombre de doigts. ...... 206 Tableau 2 : Affinit lectrique de diffrents matriaux .......................................................................... iv

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INTRODUCTION

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INTRODUCTION

Dans nos socits modernes, les communications sont un enjeu important pour nos activits quotidiennes. Les liaisons satellitaires ou terrestres, entre appareils ou individus constituent le flot journalier des transmissions. Afin d'assurer ces changes, le signal analogique devient le relais de la parole, de l'image et des donnes. Avec l'augmentation de la quantit d'information vhiculer, l'lectronique analogique qui est le support du signal doit faire face des contraintes imposes par la nature de l'change, de l'utilisateur et la physique. Ainsi, les systmes ncessitent une forte intgration de ses composants afin d'assurer des oprations de plus en plus complexes sur les signaux numriques et analogiques. Ceci impose par consquent une bonne adquation entre les zones de traitement du signal numrique et les lments analogiques, raliss dans la mme puce. Concernant la mobilit et l'autonomie des systmes lectroniques, leur consommation nergtique doit tre faible pour permettre une alimentation par des batteries peu volumineuses. Enfin, la ralisation des circuits requiert l'optimisation de leurs constituants sans dgrader leurs performances. Ceci ncessite de minimiser les pertes lies aux lignes de transmission, aux divers effets de couplage et au bruit lectronique.

Afin de satisfaire toutes ces conditions, les caractristiques de ces systmes s'appuient sur des normes dfinies en fonction de l'utilisation finale[1,2]. Elles sont dfinies en fonction de :

la puissance du signal mis en sortie. (33 dBm pour le GSM, 27 dBm pour le W-CDMA)

la sensibilit aux signaux reues en entre. (-117 dBm pour le W-CDMA, -104 dBm pour le CDMA)

la frquence de fonctionnement. (1,575 GHz pour le GPS, 2,4 GHz pour le WiFi ou 802.11b, WLAN ou 802.11g et Bluetooth, 5,2 GHz pour l'OFDM, 802.11a, HiperLAN2, 28 31 GHz pour le LMDS)

la bande passante. (1,3 GHz pour le LMDS)

la linarit dans la bande passante. Suivant les applications vises, ces normes sont plus ou moins contraignantes vis--vis du

circuit raliser. Dans le domaine des micro-ondes, ces applications sont essentiellement lies aux systmes de communication par radio, aux pagers, aux communications par satellites (apparu en 1945), la tlphonie mobile (1985), aux rseaux locaux sans fil (1990) et la navigation par satellite (1991). L'lectronique analogique micro-onde est galement employe pour les radars civils et militaires dans des domaines tels que la mtorologie, l'arospatiale, l'automobile, la cartographie, l'identification, la surveillance mais galement pour l'armement. En dfinitive, il existe une grande varit d'applications des systmes micro-ondes dont l'activit majeure reste les tlcommunications.

Le prochain paragraphe dcrit les tages analogiques composant un systme de communication. La conception de ce systme ncessite une technologie adapte aux besoins des micro-ondes. Un aperu de ces technologies est donn en seconde partie de cette introduction. Les dispositifs sur silicium sont compars par rapport aux autres types de substrat. Notamment, parmi la famille du silicium, la technologie Silicium-Sur-Isolant ou SOI possde un potentiel important pour rivaliser face aux procds coteux mais performants sur substrat AsGa. Un

INTRODUCTION

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historique du SOI est ensuite donn. Celui-ci s'appuie sur les divers procds technologiques de ralisation de ces substrats. Enfin, cette introduction se poursuit par une comparaison entre les technologies SOI et silicium massif pour les transistors effet de champ MOS, et se termine par un dernier paragraphe consacr au plan de ce mmoire.

1- Les dispositifs intgrs

partir des annes 1990, le besoin de circuits micro-ondes connu une croissance fulgurente. Avec l'amlioration des outils de conception assiste par ordinateur, il fut possible d'accrotre le niveau de complexit dans la ralisation de circuits analogiques micro-ondes. Pour des raisons de rduction de cots et d'augmentation des performances, les systmes actuels tendent intgrer l'ensemble des fonctionnalits analogiques et numriques sur une seule puce lectronique. Ces lments, Systems-On-Chip ou SOC ou Systems-In-Package ou SIP, comprennent, dans le cadre d'un quipement de tlphonie mobile les tages de rception, de conversion analogique/numrique, de dcodage et de traitement du signal numrique et enfin l'tage d'mission. La figure 1 donne un exemple typique d'une chane de traitement pour un tlphone cellulaire d'aprs des reprsentations donnes par Larson[1]. L'tage de rception peut devenir plus complexe lorsque le dispositif fonctionne en multibande[3]. Actuellement, ces systmes tendent incorporer des solutions plus complexes comme le dcodage MPEG pour la vido, le gps ou des units de calcul comme les micro-processeurs.

Figure 1 : Exemple d'un schma possible d'un tlphone cellulaire avec ses tages de rception et d'mission.

Dans le systme prsent la figure 1, trois types d'amplificateur sont prsents. Le LNA est un amplificateur faible niveau de bruit intrinsque. Cet lment majeur constitue le premier tage limitant les performances d'une de rception micro-onde. Par l'antenne, une varit de signaux, dont le signal utile, atteint l'entre du LNA. Sa fonction est, alors, d'amplifier ces signaux sans apporter du bruit supplmentaire. Les caractristiques optimales d'un LNA est un gain lev, une large bande passante, une faible consommation et un niveau de bruit interne ngligeable. Ces caractristiques dpendent des transistors employs. Deux technologies sont principalement en concurrence pour ce type d'lment : les FET avec le MESFET AsGa et les bipolaires avec le HBT SiGe. Dans la suite de ce chapitre, d'autres technologies mergentes seront dfinies et positionnes par rapport aux deux prcdentes. Le PA correspond un amplificateur de puissance. Cet amplificateur doit satisfaire des contraintes de gain, de puissance de sortie et de consommation. Typiquement, des amplificateurs de classe AB sont utiliss. Enfin, le VGA, ou

Microcontrleur

Dmodulateur

A/N

Modulateur

A/N

* 7

0 #

4 8 5

1

9

2 6 3

L C D

Oscillateur Local RF

LNA LNA



VGA VGA PA

Filtre SAW

Filtre SAW

Filtre SAW

VGA

Trai

tem

ent d

u sig

nal

Interrupteur RF

INTRODUCTION

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amplificateur gain variable, permet d'ajuster le niveau de puissance reu ou mit, en fonction de la localisation de l'utilisateur par rapport aux bornes radios de son oprateur tlphonique.

Les VCO, ou les oscillateurs contrls par une tension, sont des dispositifs qui dmodulent le signal micro-onde dans la bande de base et inversement. Ces lments ncessitent un faible niveau de bruit de phase, tre accord sur une plage de frquence fixe, tre indpendant de la temprature, des drives lies au procd de fabrication, de la charge de sortie et des variations de puissance. Les interrupteurs RF analogiques placs l'entre du circuit, aprs l'antenne, permutent entre le signal reu et le signal mis. Les deux principales qualits d'un interrupteur RF sont le maintien de la linarit l'tat passant et une parfaite isolation l'tat bloqu.

Tous ces circuits ncessitent une optimisation des paramtres lors de leur conception. Suivant la technologie employe, l'amlioration des performances se fera sur la base d'un compromis. Un aperu des paramtres ajuster pour la conception de circuits analogiques est donn la figure 2. Par exemple, il est possible d'amliorer le gain mais au dtriment de la sensibilit en entre du circuit, donc du bruit, ou de la puissance consomme.

Figure 2 : Octogone reprsentant les paramtres ajuster lors de la conception de circuits analogiques.

L'amlioration des paramtres cits la figure prcdente, impose la recherche et le dveloppement de nouvelles technologies financirement comptitives, avec un faible temps de mise sur le march. Des efforts importants sont fournir dans la comprhension des phnomnes physiques, afin de guider le technologue et le concepteur dans la ralisation et l'optimisation de circuits micro-ondes.

Le paragraphe suivant donne une comparaison des diffrentes technologies employes pour raliser des circuits analogiques micro-ondes. De cette tude, les substrats de la filire SOI semblent prometteurs, alliant les avantages de cot avec la puissance technologique.

2- Les diffrentes technologies

Historiquement, les technologies III-V comme l'AsGa ont t les premires s'imposer dans le domaine des micro-ondes. En effet, la rsistivit des substrats GaAs est 10 000 fois plus grande environ que les substrats en technologie silicium. Les pertes tant plus fortes pour le silicium, cette technologie ne convenaient pas au dveloppement d'lments micro-ondes. De plus, la mobilit des lectrons est 6 fois plus importante dans l'AsGa que dans le silicium. Les circuits sont alors plus rapides et peuvent amplifier des frquences leves. Alliant une grille base sur une diode Schottky rapide, les MESFET sur GaAs furent les premiers lments micro-ondes qui permirent la conception de circuits travaillant au-del de la limitation en frquence impose par les transistors bipolaires sur silicium. Les inconvnients majeurs de cette

Gain

Bruit

Linarit

Bande Passante

Puissance consomme

Tension d'alimentation

Adaptation en entre/sortie

Vitesse Circuit

Analogique

INTRODUCTION

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technologie taient le manque de rendement de ce type de matriau et le cot important dans sa ralisation. En 1968, un premier circuit base de transistors effet de champ en technologie AsGa a t ralis. Sa frquence de travail se situait autour de 94 GHz.

Avec la rduction de la longueur du canal pour les MOSFET sur silicium massif, l'heure actuelle, il possible d'obtenir des frquences de coupure de l'ordre de ceux obtenues avec des MESFET AsGa. Par contre, dans le cas des MOSFET Si, le niveau de bruit reste plus important que celui des MESFET AsGa cause de la rsistance srie de grille et du couplage capacitif entre la grille et le canal. De trs bonnes performances pour la frquence de coupure sont obtenues pour les transistors bipolaires htrojonction SiGe[4]. Cependant, les dispositifs base de semi-conducteur III-V ont un cot de dveloppement lev comparativement au silicium. La figure 3 situe les principales technologies existantes selon le domaine frquentiel applicable ainsi que les normes de tlcommunication associes. Sur cette figure, extraite d'aprs l'ITRS 2003, il est possible de noter que la technologie sur silicium est employe actuellement pour des applications dont la frquence de travail ne dpasse pas 10 GHz.

Figure 3 : Reprsentation des performances des technologies par rapport aux applications micro-ondes[5]

Avec les technologies sur silicium, un nouveau type de substrat contenant une couche d'oxyde a fait son apparition. La technologie SOI ou Silicon-On-Insulator est une alternative prometteuse au silicium dans la ralisation de transistors micro-ondes. En effet, malgr son cot de dveloppement suprieur de 10 % par rapport aux technologies sur substrat massif classiques, le gain en performance est valu entre 20 et 35 %[6]. Les frquences de coupure sont suprieures 150 GHz pour la technologie 0,13 m. Avec l'utilisation de substrats fortement rsistif, les pertes sont diminues et les performances accrues notamment au niveau du bruit micro-onde. Ainsi, les performances frquentielles des technologies silicium indique la figure 3 doivent tre revues la hausse.

3- Historique du SOI

La technologie SOI compte plusieurs procds industriels qui ont t dvelopps pour raliser un film de silicium sur une couche isolante. Le plus ancien est le SOS ou Silicon-On-Sapphire. Depuis les annes 1980, d'autres techniques ont t mises au point et sont devenues des standards industriels. Les deux principaux procds sont le SIMOX et le BSOI dont une technique drive e

etude en radiofréquences de transistors à effet de...

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