Méthodologie de conception de circuits analogiques pour des applications radiofréquence à faible consommation de puissance

Thesis work are presented in the context of the integrated circuits design in advanced CMOS technology for ultra low power RF applications. The circuits are designed around two concepts. The first is the use of the inversion coefficient to normalize the transistor as a function of its size and its technology, this allows a quick analysis for different performances or different technologies. The second approach is to use a figure of merit to find the most appropriate polarization of a circuit based on its performance. These two principles were used to define effective design methods for two RF blocks: low noise amplifier and oscillator.Les travaux de thèse présentés se situent dans le contexte de la conception de circuits intégrés en technologie CMOS avancée pour des applications radiofréquence à très faible consommation de puissance. Les circuits sont conçus à travers deux concepts. Le premier est l'utilisation du coefficient d'inversion qui permet de normaliser le transistor en fonction de sa taille et de sa technologie, ceci permet une analyse rapide pour différentes performances visées ou différentes technologies. La deuxième approche est d'utiliser un facteur de mérite pour trouver la polarisation la plus adéquate d'un circuit en fonction de ses performances. Ces deux principes ont été utilisés pour définir des méthodes de conception efficaces pour deux blocs radiofréquence : l'amplificateur faible bruit et l'oscillateur

Modeling and Validation of 4H-SiC Low Voltage MOSFETs for Integrated Circuit Design

Silicon Carbide is a promising wide bandgap material and gradually becoming the first choice of semiconductor for high density and high efficiency power electronics in medium voltage range (500-1500V). SiC has also excellent thermal conductivity and the devices fabricated with the material can operate at high temperature (~ 400 ⁰C). Thus, a power electronic system built with SiC devices requires less cooling requirement and saves board space and cost. The high temperature applications of SiC material can also be extended to space exploration, oil and gas rigging, aerospace and geothermal energy systems for data acquisition, sensing and instrumentation and power conditioning and conversion. But the high temperature capability of SiC can only be utilized when the integrated circuits can be designed in SiC technology and high fidelity compact models of the semiconductor devices are a priori for reliable and high yielding integrated circuit design. The objective of this work is to develop industry standard compact models for SiC NMOS and PMOS devices. A widely used compact model used in silicon industry called BSIM3V3 is adopted as a foundation to build the model for SiC MOSFET. The models optimized with the built-in HSPICE BSIM3V3.3 were used for circuit design in one tape-out but BSIM3V3 was found to be inadequate to model all of the characteristics of SiC MOSFET due to the presence of interface trapped charge. In the second tape-out, the models for SiC NMOS and PMOS were optimized based on the built-in HSPICE BSIM4V6.5 and a number of functioning circuits which have been published in reputed journal and conference were designed based on the models. Although BSIM4 is an enhanced version of BSIM3V3, it also could not model a few deviant SiC MOSFET characteristics such as body effect, soft saturation etc. The new model developed for SiC NMOS and PMOS based on BSIM4V7.0 is called BSIM4SIC and can model the entire range of device characteristics of the devices. The BSIM4SIC models are validated with a wide range of measured data and verified using the models in the simulation of numerous circuits such as op-amp, comparator, linear regulator, reference and ADC/DAC

Conception et étude d’une synthèse de fréquence innovante en technologies CMOS avancées pour les applications en bande de fréquence millimétrique

The 60-GHz unlicensed band is a promising alternative to perform the high data rate required in the next generation of wireless communication systems. Complex modulations such as OFDM or 64-QAM allow reaching multi-gigabits per second throughput over up to several tens of meters in standard CMOS technologies. This performance rely on the use of high performance millimeter-wave frequency synthesizer in the RF front-end. In this work, an original architecture is proposed to generate this high performance millimeter-wave frequency synthesizer. It is based on a high order (several tens) multiplication of a low frequency reference (few GHz), that is capable of copying the low frequency reference spectral properties. This high order frequency multiplication is performed in two steps. Firstly, a multi-harmonic signal which power is located around the harmonic of interest is generated from the low frequency reference signal. Secondly, the harmonic of interest is filtered out from this multi-harmonic signal. Both steps rely on the specific use of oscillators. This work deals with the circuit design on advanced CMOS technologies (40 nm CMOS, 55 nm BiCMOS) for the proof of concept and on the theoretical study of this system. This novel technique is experimentally validated by measurements on the fabricated circuits and exhibit state-of-the-art performance. The analytical study of this high order frequency multiplication led to the discovery of a particular kind of synchronization in oscillators and to approximated solutions of the Van der Pol equation in two different practical cases. The perspectives of this work include the design of the low frequency reference and the integration of this frequency synthesizer in a complete RF front-end architecture.La bande de fréquence non-licensée autour de 60 GHz est une alternative prometteuse pour couvrir les besoins en bande passante des futurs systèmes de communication. L'utilisation de modulations complexes (comme OFDM ou 64-QAM) à ces fréquences permet d'atteindre, en utilisant une technologie CMOS standard, des débits de plusieurs gigabits par seconde sur quelques mètres voire quelques dizaines de mètres. Pour atteindre ces performances, la tête d'émission-réception RF (front-end RF) doit être dotée d'une référence de fréquence haute performance. Dans ce travail, une architecture originale est proposée pour générer cette référence de fréquence haute performance. Elle repose sur la multiplication de fréquence d'ordre élevé (plusieurs dizaines) d'un signal de référence basse fréquence (moins de quelques GHz), tout en recopiant les propriétés spectrales du signal basse fréquence. Cette multiplication est réalisée en combinant la production d'un signal multi-harmonique dont la puissance est concentrée autour de la fréquence à synthétiser. L'harmonique d'intérêt est ensuite extraite au moyen d'un filtrage. Ces deux étapes reposent sur l'utilisation d'oscillateurs dans des configurations spécifiques. Ce travail porte à la fois sur la mise en équation et l'étude du fonctionnement de ce système, et sur la conception de circuits dans des technologies CMOS avancées (CMOS 40 nm, BiCMOS 55 nm). Les mesures sur les circuits fabriqués permettent de valider la preuve de concept ainsi que de montrer des performances à l'état de l'art. L'étude du fonctionnement de ce système a conduit à la découverte d'une forme particulière de synchronisation des oscillateurs ainsi qu'à l'expression de solutions approchées de l'équation de Van der Pol dans deux cas pratiques particuliers. Les perspectives de ce travail sont notamment l'intégration de cette synthèse innovante dans un émetteur-récepteur complet

Conception, fabrication, caractérisation et modélisation de transistors MOSFET haute tension en technologie avancée SOI (Silicon-On-Insulator)

Nowadays the scaling of bulk silicon CMOS technologies is reaching physical limits. In this context, the FDSOI technology (fully depleted silicon-on-insulator) becomes an alternative for the industry because of its superior performances. The use of an ultra-thin SOI substrate provides an improvement of the MOSFETs behaviour and guarantees their electrostatic integrity for devices of 28nm and below. The development of high-voltage applications such DC/DC converters, voltage regulators and power amplifiers become necessary to integrate new functionalities in the technology. However, the standard devices are not designed to handle such high voltages. To overcome this limitation, this work is focused on the design of a high voltage MOSFET in FDSOI. Through simulations and electrical characterizations, we are exploring several solutions such as the hybridization of the SOI substrate (local opening of the buried oxide) or the implementation in the silicon film. An innovative architecture on SOI, the Dual Ground Plane EDMOS, is proposed, characterized and modelled. It relies on the biasing of a dedicated ground plane introduced below the device to offer promising RON.S/BV trade-off for the targeted applications.A l’heure où la miniaturisation des technologies CMOS sur substrat massif atteint des limites, la technologie FDSOI (silicium sur isolant totalement déserté) s’impose comme une alternative pour l’industrie en raison de ses meilleures performances. Dans cette technologie, l’utilisation d’un substrat SOI ultramince améliore le comportement des transistors MOSFETs et garantit leur intégrité électrostatique pour des dimensions en deçà de 28nm. Afin de lui intégrer de nouvelles fonctionnalités, il devient nécessaire de développer des applications dites « haute tension » comme les convertisseurs DC/DC, les régulateurs de tension ou encore les amplificateurs de puissance. Cependant les composants standards de la technologie CMOS ne sont pas capables de fonctionner sous les hautes tensions requises. Pour répondre à cette limitation, ces travaux portent sur le développement et l’étude de transistors MOS haute tension en technologie FDSOI. Plusieurs solutions sont étudiées à l’aide de simulations numériques et de caractérisations électriques : l’hybridation du substrat (gravure localisée de l’oxyde enterré) et la transposition sur le film mince. Une architecture innovante sur SOI, le Dual Gound Plane EDMOS, est alors proposée, caractérisée et modélisée. Cette architecture repose sur la polarisation d’une seconde grille arrière pour offrir un compromis RON.S/BV prometteur pour les applications visées

ANALYTICAL COMPACT MODELING OF NANOSCALE MULTIPLE-GATE MOSFETS.

L’objectiu principal d’aquest treball és el desenvolupament d’un model compacte per a MOSFETs de múltiple porta d’escala nanomètrica, que sigui analític, basat en la física del dispositiu, i predictiu per a simulacions AC i DC. Els dispositius investigats són el MOSFET estàndar en mode d’inversió, a més d’un nou dispositiu anomenat “junctionless MOSFET” (MOSFET sense unions). El model es va desenvolupar en una formulació compacta amb l’ajuda de l’equació de Poisson i la tècnica de la transformación conforme de Schwarz-Cristoffel. Es varen obtenir les equacions del voltatge llindar i el pendent subllindar. Usant la funció W de Lambert, a més d’una funció de suavització per a la transcició entre les regions de depleció i acumulació, s’obté un model unificat de la densitat de càrrega, vàlid per a tots els modes d’operació del transistor. S’estudien també les dependències entre els paràmetres físics del dispositiu i el seu impacte en el seu rendiment. Es tenen en compteefectes importants de canal curt i de quantització. Es discuteixen també la simetria al voltant de Vds= 0 V, i la continuïtat del corrent de drenador en les derivades d’ordre superior. El model va ser validat mitjançant simulacions TCAD numèriques i mesures experimentals.El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un modelo compacto para MOSFETs de múltiple puerta de escala nanométrica, que sea analítico, basado en la física del dispositivo, y predictivo para simulaciones AC y DC. Los dispositivos investigados son el MOSFET estándar en modo inversión, además de un nuevo dispositivo llamado “junctionless MOSFET” (MOSFET sin uniones). El modelo se desarrolló en una formulación compacta con la ayuda de la ecuación de Poisson y la técnica de transformación conforme de Schwarz-Cristoffel. Se obtuvieron las ecuaciones del voltaje umbral y la pendiente subumbral. Usando la función W de Lambert, además de una función de suavización para la transición entre las regiones de depleción y acumulación, se obtiene un modelo unificado de la densidad de carga, válido para todos los modos de operación del transistor. Se estudian también las dependencias entre los parámetros físicos del dispositivo y su impacto en su rendimiento. Se tienen en cuenta efectos importantes de canal corto y de cuantización. Se discuten también la simetría alrededor de Vds= 0 V, y la continuidad de la corriente de drenador en las derivadas de orden superior. El modelo fue validado mediante simulaciones TCAD numéricas y medidas experimentales.The main focus is on the development of an analytical, physics-based and predictive DC and AC compact model for nanoscale multiple-gate MOSFETs. The investigated devices are the standard inversion mode MOSFET and a new device concept called junctionless MOSFET. The model is derived in closed-from with the help of Poisson's equation and the conformal mapping technique by Schwarz-Christoffel. Equations for the calculation of the threshold voltage and subthreshold slope are derived. Using Lambert's W-function and a smoothing function for the transition between the depletion and accumulation region, an unified charge density model valid for all operating regimes is developed. Dependencies between the physical device parameters and their impact on the device performance are worked out. Important short-channel and quantization effects are taken into account. Symmetry around Vds = 0 V and continuity of the drain current at derivatives of higher order are discussed. The model is validated versus numerical TCAD simulations and measurement data