Les spécifications des standards de transmission de données, par exemple la télévision numérique terrestre (VHF, UHF, L1, L2, S-band), la téléphonie mobile (GSM, GPRS, EDGE, UMTS, ... ) ou l'augmentation du débit d'information sans fils (WIFI, WiMax, Bluetooth, WHDMI, ... ), nécessitent entre autres une réduction du seuil de détection et une densification des canaux. Plusieurs solutions permettent d'augmenter le débit d'information, soit l'augmentation de la quantité d'information transportée par la porteuse radio-fréquence, soit la multiplication des porteuses à l'intérieur d'une bande de fréquence. La qualité spectrale des signaux porteurs devient alors un point clé pour garantir l'intégrité de l'information. Au cœur de la génération ou de la détection des signaux, la varicap, capacité variable à commande électrique, est un des éléments prépondérants déterminant les performances de la chaîne de transmission. La thèse concerne l'étude de nouvelles varicaps en technologies CMOS sub-90nm et BiCMOS sub-250nm. Après avoir introduit le contexte général de l'étude, nous présentons un état de l'art des varicaps, puis nous définissons les facteurs de performances et les outils d'évaluation d'une technologie et d'une famille de varicaps afin de fournir les pistes d'amélioration à travers les caractéristiques électriques et géométriques. Le premier axe de nos travaux s'intéresse à l'évaluation de nouvelles structures de varicaps autour de la capacité intrinsèque et de l'aspect architecture!. Le deuxième axe se consacre à l'étude des techniques de mesures plus proches du contexte d'utilisation de la varicap dans un système. Pour conclure, nous décrivons la mise en place d'un véhicule de test type VCO en technologie CMOS 65nm afin de quantifier les facteurs de performances à l'échelle du circuit. A terme, ce travail fournit une bibliothèque de données techniques et d'architectures permettant de réduire le temps de développement des futures varicaps. / The specifications of the standard data transmission, such as digital terrestrial television (VHF, UHF, L1, L2, S-band), mobile (GSM, GPRS, EDGE, UMTS, ... ) or the growth of the flow of the wireless data (WiFi, WiMax, Bluetooth, WHDMI ... ), require a reduction in the threshold of detection and a densification of channels. Several solutions can increase the flow of data: the growth of the amount of information carried by the radio-frequency carrier or the multiplication of carriers within a band. The spectral quality of signaIs becomes a key to ensuring the information integrity. At the heart of the generation and detection signaIs, the varactor, variable capacitance in function of the supply voltage, is a crucial element determining the performance of the chain of transmission. The thesis deals with the study of new varactors in technology sub-90nm CMOS and sub-250nm BiCMOS technologies. After introducing the general context of the study, we present a state of the art of varactor, then we define the performance factors and assessment tools of technologies to provide the improvement of electrical and geometric caracteristics. The first axis of our work focuses on the evaluation of new structures varactor around the intrinsic capacitance and the architectural aspect. The second axis is dedicated to the study of measuring techniques closer to the system context. Finally, we de scribe the conception of a test vehicle as VCO in 65nm CMOS technology to quantify the performance factors across the circuit. Ultimately, this work provides a Iibrary oftechnical data and architectures in the aim to reduce the development time of varactor offer.

Le travail réalisé au cours de cette thèse porte sur l’optimisation du transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C pour les applications d’amplification de puissance pour les communications sans fils. Nous présentons tout d’abord la structure d’étude. Il s’agit du transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C intégré en technologie BiCMOS 0.25µm sur plaques 200mm. La cellule dédiée à l’amplification de puissance est présentée. Une attention particulière est apportée aux phénomènes thermiques inhérents à ce type de cellules ainsi qu’aux solutions mises en œuvre pour les atténuer. Les diverses optimisations réalisées sur l’architecture du TBH sont détaillées. Ces optimisations touchent à la fois à la modification du procédé technologique et au dessin du transistor. Notre étude porte sur l’amélioration des performances petit et grand signal via l’optimisation des paramètres technologiques définissant la structure épitaxiale intrinsèque de base et de collecteur ainsi que des règles de dessin du transistor. Enfin, deux types d’architectures de TBH développées sont présentées. L’une de type simple polysilicium quasi auto-alignée qui s’intègre dans une technologie dédiée à l’amplification de puissance, l’autre présentant une structure double polysilicium également auto-alignée. / The present work deals with Si/SiGe:C heterojonction bipolar transistor optimization for power amplifier applications dedicated to wireless communications. We first present the investigated structure, a Si/SiGe:C heterojonction bipolar transistor integrated in a 0.25µm BiCMOS technology on 200 mm wafers. We discuss the cell dedicated to power amplification. We have paid attention to thermal phenomenon linked to this kind of cell and to possible dedicated solutions. Various optimizations realized on HBT architecture are detailed. These optimizations concern technological process modifications and transistor design. The main objective of this work is to improve both large and small signal characteristics. This is obtained by transistor design rule variations, collector and base intrinsic parameters optimization. Finally, two kind of developed HBT architectures are presented. One, simple polysilicium quasi self aligned, integrated in a technology dedicated to power amplification, the other one fully self aligned with double polysilicium structure.

Ces travaux de recherche visent à introduire et à généraliser l'utilisation des systèmes différentiels dans les applications RF et Micro-ondes. En particulier, dans la conception de dispositifs pour les fonctions d'amplification à faible bruit. Pour cela, il est indispensable de développer des outils fiables et rigoureux tels que le formalisme des modes mixtes introduit par Bockelman. C'est dans cet esprit que s'inscrit la première phase de l'étude. Le but étant de développer un outil pour l'analyse de la stabilité linéaire des systèmes différentiels à trois et quatre accès. Par ailleurs, les interfaces des circuits numériques ultra-rapides (CNA) sont de topologie différentielle. Ce qui augmente encore l'intérêt de disposer de méthodes rigoureuses pour la conception des systèmes différentiels. Dans la deuxième phase de l'étude la problématique de l'intégration système des CNAs dans les nouvelles générations des chaines de transmission RF des satellites de télécommunications est traitée. La conception d'un balun actif large bande capable d'assurer la conversion de la sortie analogique différentielle du CNA en sortie simple accès (Single-ended) référencée par rapport à la masse est détaillée. Afin de répondre aux contraintes d'intégration, une technologie BiCMOS SiGe 0.25 μm est utilisée pour son implémentation. Les performances obtenues par la mesure de la puce Silicium réalisée respectent les spécifications techniques initiales de l'application. Ce qui permet de valider la méthodologie de conception utilisée. L'objectif final est d'être capable d'intégrer sur un même substrat monolithique le CNA et le balun actif large bande de conversion de modes. / This research work aims to develop analytical tools for the analysis and design of differential systems. While the use of differential circuits in RF reception/transmission chains is increasingly growing, there is no accurate method to study their stability. First the common tools to study RF differential components are introduced. Then, the development of a CAD tool that can be rigorously used to investigate the extrinsic stability of linear differential systems is presented. Finally this tool is applied to study the stability of in a real case. The design addresses a three port component that aims to convert the differential output of digital to analog converter into a single-ended access for a spatial application purpose. This broadband active balun is designed using BiCMOS technology. Measurements are performed and the results are in good agreement with the simulation. All the initial specications are achieved, which validate the approach developed in this study.

Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l'investigation du fonctionnement des technologies bipolaires, et plus particulièrement des technologies BiCMOS SiGe, pour une utilisation à température cryogénique. Un état de l'art sur les transistors bipolaires et les bruits électroniques que l'on rencontre sur ce genre de technologie sont donnés avec une approche orientée vers les basses températures. Ces rappels permettent d'aborder les mesures, des paramètres basse fréquence et du bruit, réalisées sur des transistors bipolaires silicium et sur deux technologies SiGe à 300 K, 77 K et 4.2 K. Il est ensuite présenté deux réalisations d'ASIC cryogénique en technologie standard BiCMOS SiGe. La première est un amplificateur bas bruit (1 nV/sqrtHz) et large bande (1 GHz) fonctionnant à 77 K. Il est destiné à la caractérisation de bolomètres supraconducteurs YBaCuO à électrons chauds. La seconde réalisation est un circuit de lecture et de multiplexage de matrice de SQUID. Il est, en particulier, présenté le développement, la réalisation et le test d'un amplificateur ultra bas bruit (0.2 nV/sqrtHz) avec deux entrées multiplexées fonctionnant à 4.2 K.

L’objectif de ce travail de thèse est le développement en technologie intégrée standard d’une structure de ligne de transmission optimisée en termes de pertes, d’encombrement, de facteur de qualité et surtout du choix du niveau de couplage aux fréquences millimétriques. Cette structure a été nommée CS-CPW (Coupled Slow-wave CoPlanar Waveguide). Dans un premier temps, la théorie ainsi que les modèles électriques des CS-CPW sont présentés. Grâce aux modèles et aux simulations électromagnétiques, des coupleurs directionnels avec plusieurs valeurs de couplage (3 dB, 10 dB, 18 dB) ont été conçus en technologie BiCMOS 55 nm. Ils présentent tous une très bonne directivité, elle est toujours supérieure à 15 dB. Un premier prototype de coupleur a été mesuré à 150 GHz. Dans un deuxième temps, des filtres à la base des lignes couplées ont été développés à 80 GHz en utilisant des lignes CS-CPW. Les résultats des simulations présentent des résultats concurrentiels avec l’état de l’art : 11% de bande passante relative et un facteur non-chargé autour de 25. Finalement, trois projets ont démarré à la base de ces lignes. Ces projets sont actuellement utilisés dans deux travaux de thèse et un stage : un RTPS à 47 GHz, un isolateur à 75 GHz et un balun à 80 GHz. / This work focuses on high-performances CS-CPW (Coupled Slow-wave CoPlanar Waveguide) transmission lines in classical CMOS integrated technologies for the millimiter-wave frequency band. First, the theory as well as the electrical models of the CS-CPW are presented. Thanks to the models and electromagnetic simulations, directional couplers with different coupling levels (3 dB, 10 dB, 18 dB) were designed in BiCMOS 55 nm technology. They have a good directivity, always better than 15 dB. A first prototype of a coupler was measured at 150 GHz presenting good agreement with the simulations. Next, coupled-line base filters were developed at 80 GHz using the CS-CPWs. Simulation present competitive results with the state-of-art: 11% of fractional bandwidth and a unload quality factor of 25. Finally, three projects started based on the CS-CPWs. The projects are currently used in two theses and one internship: a RTPS at 47 GHz, an isolator at 75 GHz and a balun at 80 GHz.