Soutenance mémoire
Les progrès technologiques dans les matériaux et composants ont conduit à la fabrication d’une variété de transistors à effet de champ: MESFETs, MODFETs et HEMTs de différents matériaux semi-conducteurs et des hétéro-structures permettant d’avoir des niveaux de puissance de sortie élevés en augmentant les fréquences de fonctionnement. En tant que des composants de base des circuits intégrés micro-ondes, les MESFETs ont suscité un intérêt particulier en raison de leur vaste champ d’application dans les stations de base de télécommunication, les satellites, dans le domaine de l’aérospatial et le stockage de données [1]. La technologie des MESFETs exige des matériaux semi-conducteurs qui disposent d’une grande mobilité électronique, un grand gap d’énergie, une conductivité thermique élevée et un champ de claquage élevé [2]. De ce fait, les MESFETs utilisent des matériaux semiconducteurs du groupe III-V tel que l’arséniure de gallium (GaAs), le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN). La différence de mobilité entre ces matériaux est le principal facteur contribuant à la grande différence dans la résistance du canal. Une mobilité élevée conduit à une grande puissance augmentant ainsi le gain d’amplification [3]. Le GaAs offre une plus grande mobilité par rapport au SiC et le GaN [3]. En effet, le MESFET à base de GaAs possède la plus grande densité de puissance à basse tension, en raison de sa mobilité électronique élevée et sa résistance de canal très faible [4]. Le MESFET GaAs est une technologie commerciale bien établie pour les circuits intégrés micro-ondes. Ce niveau de maturité est obtenu après des années de développement.
PROPRIÉTÉS DIÉLECTRIQUES DES MATÉRIAUX
La technique d’analyse diélectrique d’un matériau est basée sur la mesure de la permittivité complexe et de la conductivité en fonction du temps, de la température et de la fréquence [1]. Ces deux paramètres constitutifs déterminent la réponse diélectrique d’un matériau soumis à un champ électrique externe. Les études de spectroscopie diélectrique menées sur différents matériaux ont permis de mettre en évidence que la réponse fréquentielle des propriétés diélectriques permet d’obtenir une évaluation plus approfondie de l’état du matériau et des mouvements de charges mis en jeux. En effet, l’application de signaux à fréquences variables à un matériau et la mesure des propriétés diélectriques à diverses fréquences aident à faire la distinction entre la conduction entre niveaux localisés et/ou entre bandes [2]. En outre, l’intérêt accru des applications des dispositifs dans de larges gammes de fréquence a suscité la mesure précise des propriétés diélectriques afin de prédire les performances des circuits notamment dans le domaine des micro-ondes [3,4].
Grandeurs caractéristiques des matériaux diélectriques
Un matériau est dit diélectrique s’il ne contient pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique. Cependant, ces charges électriques peuvent présenter des mouvements d’amplitude très faible qui sont à l’origine de nombreux phénomènes. Ces mouvements sont souvent des oscillations autour du noyau: le nuage électronique peut être déformé et crée ainsi un dipôle électrostatique. Il en va de même pour le déplacement global des atomes au sein du matériau. Néanmoins, dans un milieu diélectrique réel, on peut également observer une très légère conduction, détectable surtout à basses fréquences. Les milieux diélectriques présentent trois propriétés fondamentales: polarisation, aimantation et conduction.
Polarisation
La propriété la plus importante d’un diélectrique est la polarisation sous l’action d’un champ électrique externe. Cette polarisation peut être représentée comme le déplacement local de charges, sans jamais quitter les molécules. Ce déplacement des charges se traduit par l’induction des moments dipolaires ou par l’orientation des dipôles électriques spontanés (ou permanents).
Permittivité complexe
Sous l’influence du champ statique, la permittivité diélectrique est considérée comme un nombre réel; on suppose que le matériau obtient une polarisation instantanée. Quand le matériau est soumis à un champ alternatif, le déplacement des molécules constitutives (ou espèces dipolaires) ne peut pas suivre la période du champ en raison des effets d’inertie. Elles ont donc besoin d’un temps de relaxation pour s’ajuster sur le champ. Ce processus provoque un retard de phase entre le champ appliqué et la réponse du matériau représentée par le déplacement électrique. En conséquence, dans le domaine fréquentielle la permittivité diélectrique est traitée comme une grandeur complexe, ε∗ (ω), dépendante de la fréquence du champ appliqué où la partie réelle ε′(ω) décrit l’énergie électrique stockée alors que le second terme ou la partie imaginaire, εʺ(ω) décrit l’énergie dissipée [2,7].
Cependant le modèle de Debye ne s’applique que dans un matériau de très faible densité et se composant de dipôles identiques, dans lequel les interactions entre les différents dipôles peuvent être négligées. Par conséquent, la relaxation est caractérisée par une constante de temps unique. D’autre part, l’expérience [9, 10, 11,12] a montré que la réponse diélectrique de la majorité de solides ne suit pas les relations de Debye et dans de nombreux cas, il n’y a pas de ressemblance avec cet état idéal, de telle sorte que le modèle simple de Debye ne peut pas s’appliquer à ces matériaux.
Tangente de pertes diélectriques
La tangente de pertes diélectriques d’un matériau décrit quantitativement la dissipation de l’énergie électrique en raison de différents phénomènes physiques telles que la conduction électrique, la relaxation diélectrique, la résonance diélectrique et les pertes de processus non linéaires tel que l’hystérésis [18]. L’origine des pertes diélectriques peut aussi être considérée comme étant liée au retard de temps entre le champ électrique appliqué et le vecteur de déplacement électrique. Ce retard désigne le déphasage entre ces deux grandeurs dans le domaine fréquentielle.
Variation de la permittivité en fonction de la fréquence
Plusieurs matériaux présentent une dispersion diélectrique où les parties réelles et imaginaires (εr’, εr ») diminuent à mesure que la fréquence augmente. La diminution de la constante diélectrique, particulièrement la partie réelle, est rapide en basses fréquences et devient lente à des fréquences plus élevées où elle montre un comportement indépendant de la fréquence. La diminution de la constante diélectrique avec la fréquence est naturelle en raison du fait que toutes les espèces qui contribuent à la polarisabilité montrent un retard avec le champ appliqué à des fréquences de plus en plus élevées .
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I: PROPRIÉTÉS DIÉLECTRIQUES DES MATÉRIAUX
I.1 Introduction
I.2 Grandeurs caractéristiques des matériaux diélectriques
I.2.1 Polarisation
I.2.2 Permittivité complexe
I.2.3 Tangente de pertes diélectriques
I.3 Variation de la permittivité en fonction de la fréquence
I.4 Variation de la permittivité en fonction de la température
I.5 Conductivité complexe
I.6 Propriétés diélectriques des semi-conducteurs
I.7 Propriétés diélectriques des métaux
I.7.1 Comportement diélectrique des couches minces métalliques
I.7.2 Permittivité complexe des nanoparticules métalliques
I.8 Méthodes de mesures de la permittivité complexe
I.8.1 Principe de mesure des méthodes de résonance
I.8.2 Mesure de la permittivité par la SPDR
I.8.3 Modes de fonctionnement des résonateurs diélectriques
I.9 Conclusion
CHAPITRE II: RÉPONSES DIÉLECTRIQUES DES COMPOSANTS UNIPOLAIRES
II.1 Introduction
II.2 Spectroscopie diélectrique dans le domaine fréquentiel
II.2.1 Cas de l’impédance complexe
II.2.2 Cas de l’admittance complexe
II.2.3 Cas de permittivité complexe
II.2.4 Cas du module électrique complexe
II.3 Contexte et mise en évidence
II.4 Contact Métal/Semi-conducteur
II.4.1 Influence de la fréquence
II.4.2 Influence de la température
II. 5 Structure métal isolant semi-conducteur
II.5.1 Influence de la fréquence
II.5.2 Influence de la température
II.6 Contact Schottky à hétéro-structures
II.6.1 Dépendance en fréquence
II.6.2 Effet de la température
II.7 Variation de la conductivité en fonction de la fréquence et de la température
II.8 Comportement diélectrique des multicouches à GaAs
II.9 Conclusion
CHAPITRE III: INVESTIGATION DE LA DISPERSION FRÉQUENTIELLE DES PARAMÈTRES DE SORTIE
III.1 Introduction
III.2 Dispersion fréquentielle des caractéristiques des MESFETs GaAs
III.3 Modèles pour la dispersion fréquentielle
III.4 Caractérisation des pièges via les dispersions fréquentielles
III.5 Motivation
III.6 Notion de capacité complexe
III.6.1 Admittance et réactance équivalente de la capacité complexe
III.6.2 Effet des pertes sur la réactance
III.7 Résultats expérimentaux
III.7.1 Mise en évidence du phénomène de dispersion
III.7.2 Influence de la polarisation de drain
a) Cas de la réactance de sortie
b) Cas de la capacité de sortie
III.7.3 Influence de la polarisation de grille
a) Cas de la réactance de sortie
b) Cas de la capacité de sortie
III.8 Modèle proposé
III.8.1 Formalisme mathématique
ΙII.8.2 Conditions de simulation
III.8.3 Résultats des simulations
a) Effet des pertes de conduction sur la réactance de sortie
b) Effet des pertes de conduction sur la capacité de sortie
III.8.4 Validation du modèle
a) Cas de la réactance de sortie
b) Cas de la capacité de sortie
III.9 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
