Modélisation électrothermique de transistors MESFET SiC et ...

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Chapitre I LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE A L’ETAT SOLIDE (SSPA) II.2.3.2 Les Effets Thermiques Tout composant semi-conducteur est sujet à des problèmes d’auto-échauffement lorsqu’il est soumis à des contraintes électriques. Trois principaux phénomènes sont à l’origine de la création de chaleur. Il y a tout d’abord l’effet Joule des électrons et des trous. Il existe ensuite les phénomènes de radiation. Enfin, le processus de génération recombinaison des paires électrons/trous libère une quantité de chaleur proportionnelle au gap d’énergie entre les niveaux donneurs et accepteurs. L’augmentation de la température interne du composant entraîne une diminution de la valeur de la mobilité des porteurs. La mobilité des porteurs du Carbure de Silicium dépend de la température. Son équation est la suivante : −2. 25 . ⎛ T ⎞ µ eff = µ eff 0 ⎜ ⎟ (I.19) 300 ⎝ ⎠ Les effets de l'échauffement du composant sur la transconductance et la conductance de sortie sont non négligeables et doivent être pris en compte dans une procédure de mesure et de modélisation précise. Un exemple de l'effet de l'auto-échauffement sur la caractéristique de sortie d'un transistor à effet de champ est représenté figure I-13. +2.5E-01 +2.0E-01 +1.5E-01 +1.0E-01 +5.0E-02 +0.0E+00 Id (A) Tem p ératu re con stan te Au to-éch au ffem ent Vds(V) -5.0E-02 -1.00 +0.00 +1.00 +2.00 +3.00 +4.00 +5.00 +6.00 - 28 - Vg s= 0.80 V Vg s= 0.60 V Vg s= 0.40 V Vg s= 0.20 V Vg s=-0.00 V Vg s=-0.20 V Vg s=-0.40 V Figure I-13 : Comparaison des caractéristiques de sortie d’un FET : à température constante et avec auto-échauffement
Chapitre I LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE A L’ETAT SOLIDE (SSPA) On observe une chute du courant de drain lorsque VDS augmente entraînant une diminution de la conductance et de la transconductance de sortie. Ceci est lié à une décroissance de la mobilité des électrons lorsque la température augmente alors que la caractéristique en impulsions conserve un état quasi-isotherme durant toute la phase de mesure. Le banc de mesure des transistors en impulsions développé par l’IRCOM [25,26] permet d’apporter une réponse aux problèmes thermiques lors de la caractérisation. Plusieurs auteurs se sont intéressés au fonctionnement des transistors MESFETs entre 300°C et 400°C [27,28]. A de telles températures, des courants de fuite ont été observés entraînant la dégradation à la fois de la conductance de sortie et des caractéristiques de pincement du composant. Ces courants de fuite sont principalement dus au contact de grille et au substrat. En effet, les fuites de grille, qui dépendent de la hauteur de la barrière de Shottky à l’interface métal / semi-conducteur, augmentent avec la température via les mécanismes d’émission et de diffusion thermodynamiques [29], tandis que les fuites de substrat proviennent de l’augmentation de la conductivité du substrat semi-isolant avec la température [15]. La conductivité thermique du Carbure de Silicium est de 3.7 W/K.cm. Le SiC étant un matériau à grand gap, il peut supporter jusqu’à 600°C sans aucune détérioration, ce qui laisse espérer un fonctionnement à des températures de jonction beaucoup plus élevées que pour le Silicium (200°C) ou l’Arséniure de Gallium (300°C à 400°C). II.2.3.3 Les Phénomènes d’Avalanche Le premier phénomène d’avalanche est dû à la circulation non désirée d’un courant entre les électrodes de grille et de drain. Pour de fortes valeurs de la tension drain source (VDS) et pour un état pincé du transistor, il se crée un champ électrique entre ces deux électrodes. A partir d’un certain niveau, ce champ électrique génère un mouvement d’électrons qui va de l’électrode de grille jusqu’au contact de drain. Il y a alors apparition d’un courant négatif sur la grille qui est entièrement reporté en courant positif sur le drain. Ce courant d’avalanche délimite, côté drain, l’excursion maximale du cycle de charge. Il en résulte une limitation de la puissance RF de sortie [30]. Coté grille, l’excursion est limitée par la conduction de la diode Schottky. - 29 -
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