Simulation physique des sources de bruit basse fréquence, Cyclostationnaire, dans les composants semi-conducteurs: Modélisation compacte, pour la CAO des circuits non linéaires. – CYCLOMOD

Introduction: Dans le cadre de systèmes de communications à modulations complexes haut débit (256 états de phase) les équipementiers réclament aujourd?hui des VCOs dont les principales caractéristiques sont les suivantes : - Fréquence centrale comprise entre 2GHz et 20 GHz. - Puissance de sortie 10 dBm - Bande accord électronique : 11% - Bruit de phase dans toute la bande électronique : -95 dBc @ 10 KHz de la porteuse -115 dBc @ 100KHz de la porteuse. Les seuls composants permettant actuellement d?atteindre ces caractéristiques conjointes bande d?accord - bruit de phase sont les transistors HBTs et varactors réalisés en technologie InGaP-GaAs. Déjà se profilent les demandes pour demain concernant une amélioration du bruit de phase de plus de 10 dB (amélioration d?un ordre de grandeur) pour des bandes d?accord électroniques identiques: - -105 dBc @ 10 KHz de la porteuse - -125 dBc @ 100KHz de la porteuse. Les fréquences centrales dépassant largement à l?avenir les 20 GHz. La modélisation des sources de bruit basse fréquence cyclostationnaires associées aux transistors HBTs utilisés sont les principales sources responsables des caractéristiques de bruit de phase et reste à ce jour à un niveau totalement empirique et incertain, ce qui entraîne des prédictions en bruit de phase très incertaines: Nous proposons dans le cadre de ce projet blanc de développer une modélisation prédictive compacte, basée sur une étude théorique des sources de bruit BF des diodes et transistors bipolaires en régime grand signal. Nous positionnons notre projet dans un objectif de saut technologique, dans le domaine de la modélisation compacte prédictive de la CAO des circuits non linéaires RF, microondes et millimétriques. La modélisation que nous proposons, à notre connaissance actuellement inexistante, est basée sur une confrontation simulations physiques-mesures, qui permettra : - d?améliorer de façon décisive la précision de la simulation prédictive des VCOs monolithiques InGaP-GaAs en terme de bruit de phase. - d?améliorer indépendamment ,par rétroaction, les composants qui seront utilisés dans les VCOs des systèmes de la prochaine décennie. - Finalement, elle devra permettre de gagner un ordre de grandeur sur le bruit de phase des oscillateurs VCOs monolithiques utilisés en télécommunications. Plan de l?étude : - UMS, qui n?est pas partenaire pour ne pas alourdir la fiche financière, fournira des véhicules de test: résistances TLM, diodes homojonction et hétérojonction, ainsi que des transistors HBTs InGaP-GaAs et des circuits oscillateurs (VCOs) - Deux taches seront alors réalisées en parallèle : - La simulation physique déterministe de ces composants sur le simulateur ATLAS. Ces simulations permettront d?extraire un modèle électrique distribué, non linéaire, des HBTs . (Alcatel-Thalès III-V lab ). - On en tirera une modélisation compacte, déterministe, orientée CAO des circuits non-linéaires, de ces mêmes composants(Labo XLIM ). Cette modélisation sera réalisée à partir des simulations précédentes et des mesures de paramètres S pulsés mesurés sur un banc spécifique, développé à XLIM. - On réalisera des mesures « statiques » des sources de courant de bruit basse fréquence aux accès de ces composants (Labo XLIM ). - La simulation physique du bruit basse fréquence « statique » sera alors entreprise sur le modèle distribué issu des simulations physiques. Le but étant de rechercher des modèles de bruit « statique » aussi proche que possible des bruit mesurés sur les véhicules de test (Labo Alcatel-Thalès III-V, XLIM Labo). - un formalisme sera alors développé qui permettra d?établir une relation entre les sources de bruit en fonctionnement « statique » et en fonctionnement cyclostationnaire (dynamique en présence de fort signal) (Labo XLIM ). Ce formalisme doit nous permettre d?extraire la fonction de cyclostationarité des sources de courant de bruit Norton aux accès des composants. - On extraira ensuite des modèles compacts de ces sources de bruit cyclostationnaires, que l?on inclura dans les modèles déterministes(Labo XLIM ). -Ces modèles compacts seront introduits dans un simulateur de circuits non linéaires : ADS (Labo XLIM ). - Des mesures dynamiques de bruit, en présence d?un fort signal « RF », seront effectuées sur le banc de mesures de bruit, dont nous avons étendu les possibilités à cet effet (Labo XLIM ). - Les comparaisons seront alors effectuées entre les résultats que l?on aura obtenu: - D?une part avec le simulateur ADS - D?autre part sur le banc de mesures de bruit dynamique. Une discussion critique conclura cette étude. La méthodologie développée pour l?extraction des modèles compacts de bruit cyclostationnaire sera mise à la disposition de la communauté scientifique et industrielle.