Etude et modélisation des transistors à effet de champ microondes à basse température. Application à la conception d'oscillateurs à haute pureté spectrale
Résumé
The aim of the present work is to define a rigorous method allowing the design of low phase noise microwave oscillators based on field effect transistors (MESFET, HEMT and pseudomorphic HEMT) including in the case where the transistor and the resonator are both cryogenically cooled. In a first part, a complete electrical characterization of different type of FET at liquid nitrogen temperature is presented. The emphasis is put on trapping-detrapping mechanisms on deep levels and a method is proposed to circumvent the collapse phenomenon which is the more serious drawback of device cooling. Then, S parameters and pulsed measurements have been used to extract a large signal model for each transistor. In a second part, the conversion process of low frequency noise into phase noise in FET oscillators is investigated. The influence of the microwave signal on the LF noise spectrum amplitude and shape is reported. Next, the oscillator's frequency noise is analysed in terms of the FET's low frequency noise multiplied by the oscillator's pushing factor. The inaccuracy of this method at some particular gate bias voltages where the pushing factor decreases to zero is demonstrated. Consequently, a new nonlinear FET model involving at least two noise sources distributed along the channel is proposed. The last section of this work is dedicated to the realization and the characterization of a cryogenic FET oscillator.
L'objectif du travail présenté dans ce mémoire est de définir une méthode rigoureuse de conception d'oscillateurs à faible bruit de phase à base de transistors à effet de champ (MESFET, HEMT et HEMT pseudomorphique) dans le cas où le transistor et le résonateur sont simultanément refroidis à des températures cryogéniques. Dans une première partie, nous présentons une caractérisation électrique complète des différents types de TEC à la température de l'azote liquide. Nous insistons particulièrement sur les mécanismes de piègeage-dépiègeage sur des centres profonds et nous proposons une méthode permettant de s'affranchir du phénomène de collapse qui est l'inconvénient majeur au fonctionnement du composant refroidi. Nous avons pu alors, à partir de mesures de paramètres S et impulsionnelles, extraire un modèle fort signal pour chaque transistor. Dans une deuxième partie, nous étudions les mécanismes de conversion du bruit basse fréquence en bruit de phase dans les oscillateurs à base de TEC. Nous examinons tout d'abord l'influence du signal microonde sur l'amplitude et la forme des spectres de bruit basse fréquence. Nous analysons ensuite les fluctuations de fréquence de l'oscillateur à partir du produit du bruit basse fréquence du TEC et du facteur de pushing. L'incapacité de cette méthode pour des tensions de polarisation de grille où le facteur de pushing décroît jusqu'à la valeur nulle est alors clairement montré. En conséquence, nous présentons un nouveau modèle non-linéaire de TEC utilisant deux sources de bruit non corrélées rendant compte des effets distribués le long de la région active du composant. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à la réalisation et à la caractérisation d'un oscillateur cryogénique à base de TEC.