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.

This work examines the effects of radiation and strain on silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor (HBT) BiCMOS technology. First, aspects of the various SiGe HBT BiCMOS technologies and the device physics of the SiGe HBT are discussed. The performance advantages of the SiGe HBT over the Si BJT are also presented. Chapter II offers a basic introduction to key radiation concepts. The space radiation environment as well as the two common radiation damage mechanisms are described. An overview of the effects of radiation damage on Si-based semiconductor devices, namely bipolar and CMOS, is also presented. Next, the effects of proton and gamma radiation on a new first-generation SiGe HBT technology are investigated. The results of a differential SiGe HBT LC oscillator subjected to proton irradiation are also presented as a test of circuit-level radiation tolerance. Finally, a technology comparison is made between the results of this work and the three different previously reported SiGe technologies. All reported SiGe HBT technologies to date show acceptable proton radiation tolerance up to Mrad levels. Chapter IV investigates the effects of effects of mechanical planar biaxial strain in SiGe HBT BiCMOS technology. This novel strain method is applied post fabrication, unlike many other straining methods. We report increases in the nFET saturated drain current, transconductance, and effective mobility for an applied strain of 0.123%. The pFET device performance degrades for this type of low-level strain.

L’émergence des applications grand public en gamme millimétrique et térahertz, telles que la communication très haut débit, le radar automobile et l’imagerie, est aujourd’hui rendue possible grâce aux progrès continus sur les performances des transistors. La technologie BiCMOS SiGe compte parmi les technologies clés génériques capables d’adresser ces applications. Les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) de dernière génération montrent en effet des fréquences de coupure supérieures à 300 GHz. Néanmoins, la conception de circuits RF dans les fréquences sub-térahertz nécessite des modèles de transistor précis et fiables, qui sont extraits et validés par des mesures hyperfréquences. L’objectif de ce travail a donc été de caractériser et modéliser les transistors HBT des technologies BiCMOS en régime petit signal et en bruit RF au-delà de 110 GHz. Après la mise au point d’une technique d’épluchage des accès du transistor à partir de mesures en bande G (140 – 220 GHz), la modélisation petit signal des transistors HBT des technologies B9MW, B5T et B55 de STMicroelectronics a pu être réalisée jusqu’à 220 et 325 GHz, tout en montrant les limitations dues à la montée en fréquence. De plus, l’extraction des quatre paramètres de bruit du transistor HBT SiGe a été réalisée pour la première fois dans l’intégralité de la bande 130 – 170 GHz, démontrant l’efficacité de la méthode multi-impédance associé à l’algorithme de Lane à ces hautes fréquences. Dans la perspective d’intégrer le système de mesure de bruit en vue de caractériser en bruit le transistor HBT, un amplificateur et un tuner d’impédance ont été conçus, en technologie B55, pour un fonctionnement de 130 à 170 GHz. / The emergence of millimeter-wave and terahertz applications for the general public, such as very high speed communication, automotive radar and imaging, is now possible thanks to the continuous progress on transistors performances. The SiGe BiCMOS technology ranks among the key enabling technologies able to address these applications. In fact, the heterojonction bipolar transistor of last generations feature cut-off frequencies higher than 300 GHz. Nevertheless, RF circuit design at sub-terahertz frequencies strongly rely on accurate and reliable transistor models, which are extracted and validated by RF measurements. This work aimed to characterize and model the BiCMOS HBTs in small-signal regime and RF noise beyond 110 GHz. Thanks to the development of a transistor access de-embedding technique from measurements in G-band (140 – 220 GHz), the small-signal modelling of HBTs from B9MW, B5T and B55 technologies of STMicroelectronics could be achieved up to 220 and 325 GHz. Furthermore, the four noise parameters extraction of the SiGe HBT was completed for the first time in the entire 130 – 170 GHz frequency range, thus demonstrating the efficiency of source-pull technique associated to Lane algorithm at such high frequencies. In order to integrate the noise measurement system for the HBT noise characterization, an amplifier and impedance tuner were designed, in B55 process, for a 130 – 170 GHz operating frequency range.

Heidelberg, Univ., Diplomarbeit, 1998.

Modeling and simulation results for two types of 150 μm height air suspended inductors proposed for LIGA fabrication are presented. The inductor substrates used model the TSMC 0.18 μm CMOS/BiCMOS substrates. The RF performance between the suspended structure and the unsuspended counterpart are compared and the advantage of the suspended structures is explored. The potential of LIGA for fabricating high suspended inductors with good performance and for combining these with CMOS/BiCMOS is demonstrated.

Modeling and simulation results for two types of 150 μm height air suspended inductors proposed for LIGA fabrication are presented. The inductor substrates used model the TSMC 0.18 μm CMOS/BiCMOS substrates. The RF performance between the suspended structure and the unsuspended counterpart are compared and the advantage of the suspended structures is explored. The potential of LIGA for fabricating high suspended inductors with good performance and for combining these with CMOS/BiCMOS is demonstrated.

The dramatic increase in market demand for wireless products has inspired a trend for new designs. These designs are smaller, less expensive, and consume less power. A natural result of this trend has been the push for components that are more highly integrated and take up less real estate on the printed circuit board (PCB). Major efforts are underway to reduce the number of integrated circuits (ICs) in newer designs by incorporating several functions into a single chip. Availability of newer technologies such as silicon bipolar with complementary metal oxide semiconductor (BiCMOS) has helped facilitate this move toward more complex circuit topologies onto one die. BiCMOS achieves efficient chip area utilization by combining bipolar transistors, suited for higher frequency analog circuits with CMOS transistors that are useful for digital functions and lower frequency analog circuits. A voltage controlled oscillator (VCO) is just one radio frequency (RF) circuit block that can benefit from a more complex semiconductor process like BiCMOS. This thesis presents the design and evaluation of an integrated VCO in the IBM 5S BiCMOS process. IBM 5S is a 0.5 um, single poly, five-metal process with surface channel PFETs and NFETs. The process also features self-aligned extrinsic base NPN bipolar devices exhibiting ft of up to 24 GHz. The objective of this work is to obtain a VCO design that provides a high degree of functionality while maximizing performance over environmental conditions. It is shown that an external feedback and resonator network as well as a bandgap voltage referenced bias circuit help to achieve these goals. An additional objective for this work is to highlight several pragmatic issues associated with designing an integrated VCO capable of high volume production. The Clapp variant of the Colpitts topology is selected for this application for reasons of robust operation, frequency stability, and ease of implementing in integrated form. Design is performed at 560 MHz using the negative resistance concept. Simulation results from Pspice and the Agilent ADS are presented. Implementation related issues such as bondwire inductances and layout details are covered. The VCO characterization is shown over several environmental conditions. The final nominal design is capable of: tuning over 150 MHz (22%) and delivering â 4.2 dBm into a 50 Ohm load while consuming only 9mA from a 3.0V supply. The phase noise at these conditions is -92.5 dBc/Hz at a frequency offset of 10 kHz from the carrier. Finally, the conclusion of this work lists some suggestions for potential future research. / Master of Science

La bande sub-millimétrique allant globalement de 300 GHz à 3 THz possède des propriétés similaires à la capacité de pénétration de photons non ionisants à travers des matériaux optiquement opaques. Pour l'imagerie THz, il est ainsi possible de détecter des objets cachés à l'intérieur de paquets, de vêtements ou de matelas... Avec l’évolution des technologies intégrées et l’augmentation des fréquences de coupure des transistors 〖(f〗_t/f_max), de nombreux circuits et systèmes ont été réalisés à des fréquences autour de 300 GHz, en particulier les systèmes de formation de faisceau. Ces systèmes permettent de générer un signal et de l’orienter électroniquement dans une direction définie de l’espace. Dans ce travail, une architecture originale d’un tel système est proposée. Elle repose sur la génération d’un signal dans la bande 270-300 GHz, tout en contrôlant sa phase à l’aide de déphaseurs implémentés au niveau de la voie LO dans la bande 45-50 GHz. La complexité du système impose une stratégie qui consiste à réaliser chaque bloc seul. Pour cela, l’émetteur dans la bande 270-300 GHz a été réalisé dans un premier temps. Il est composé d’un oscillateur verrouillé par injection sous-harmonique (45-50 GHz), d’un mélangeur passif et d'amplificateurs IF. Ensuite une architecture innovante de déphaseur a été réalisée, basée sur des lignes couplées à ondes lentes. Finalement, une chaîne de multiplication de fréquence a été réalisée afin de générer le signal d’injection à l’aide d’un signal basse fréquence (3-5 GHz). Les circuits ont été fabriqués en technologie BiCMOS 55 nm de STMicroelectronics. Les résultats de mesure correspondent sont en très bon accord avec les simulations, et les performances obtenues sont à l’état de l’art. Une fois les blocs élémentaires validés, des sous-systèmes ont été réalisés pour valider le bon fonctionnement d’une voie complète du réseau d'antennes. En termes de perspectives, ce travail ouvre la voie vers la conception et la réalisation d'un système complet d'orientation de faisceau contenant plusieurs voies/antennes. / The sub-millimeter wave band that covers the frequency range from 300 GHz to 3 THz has an interesting properties such the ability to penetrate materials. For THz imaging, it is possible to detect objects inside packages, clothes... With the evolution of integrated technologies and the increase of the cut-off frequencies of transistors 〖(f〗_t/f_max), many circuits and systems have been fabricated around 300 GHz, especially phased arrays for beamforming applications. These systems generate a signal and steer it electronically in a direction of the space. In this work, a novel architecture of phased array is proposed. It is based on the generation of a signal in the 270-300 GHz band, while controlling its phase by using phase shifters implemented in the LO path in the 45-50 GHz band. Each bloc should be measured in a stand-alone version, in order to get an idea about whole system performances. For this, the transmitter in the 270-300 GHz band has been realized first. It consists of a sub-harmonic injection locked oscillator, a passive mixer and IF amplifiers. Then, a novel architecture of phase shifter was proposed, it is based on slow waves coupled lines. Finally, a frequency multiplier chain was performed to generate the injection signal by using a lower frequency signal (3-5 GHz). The circuits are fabricated in a 55nm BiCMOS technology from STMicroelectronics. Measurements results are in a good agreement with simulations. Once the blocks are validated, sub systems are realized in order to validate one path of the array. The perspectives of this work include the design and realization of the complete phased array with multiple paths/antennas.

Les systèmes de communication sans fil en fréquences millimétriques ont gagné considérablement en importance au cours des dernières années. Des applications comme les réseaux WLAN et WPAN à 60 GHz, le radar automobile autour de 80 GHz ou l’imagerie à 94 GHz sont apparues, demandant un effort conséquent pour la conception des circuits intégrés émetteurs et récepteurs sur silicium. Dans ce contexte, les transformateurs intégrés sont particulièrement intéressants. Ils peuvent réaliser des fonctions comme l’adaptation d’impédance, la conversion du mode asymétrique au différentiel et la combinaison de puissance. La conception et la modélisation de ce type de transformateur font le sujet de cette thèse. Une étude détaillée des topologies de transformateurs est présentée, concernant le dessin des inductances, leur position relative, leurs dimensions géométriques, le blindage du substrat et l’obtention de rapports importants de transformation. Leur modélisation par des simulations électromagnétiques et par un circuit électrique à éléments discrets est également discutée. Le modèle présente une topologie 2-π et une série d’équations analytiques dépendant de ses caractéristiques technologiques et géométriques pour évaluer tous ses composants. Un très bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour des transformateurs en technologies CMOS 65 nm et BiCMOS 130 nm jusqu’à 110 GHz. Finalement, les transformateurs sont appliqués à la conception d’un mélangeur BiCMOS à 77 GHz et un amplificateur de puissance CMOS à 60 GHz. / Millimeter-wave wireless communication systems have considerably gained in importance in recent years. Important applications as 60-GHz WLANs and WPANs, 80- GHz automotive radar, and 94 GHz imaging have emerged, requiring significant effort on the design of transceiver’s silicon-based integrated circuits. In this context, integrated transformers are of a particular interest. They may perform, among other functions, impedance matching, single to differential conversion, and power combination. The design and modeling of this type of transformers is the subject of this thesis. A comprehensive study on the topology of transformers is presented, regarding the layout of individual coils, their relative position, geometric dimensions, substrate shields, and the achievement of high transformation ratios. Their modeling through electromagnetic simulations and a lumped-element electric circuit is discussed as well. The model presents a 2-π topology and analytical equations depending on both technological and geometric characteristics to evaluate the totality of its components. A close agreement between model and measurement is shown for 65-nm CMOS and 130-nm BiCMOS transformers up to 110 GHz. Those transformers are then applied to the design of a 77-GHz BiCMOS mixer and a 60-GHz CMOS power amplifier.

Detecting small signals with a comparator demands that the total voltage offset is lower than the actual signal. The total offset includes the voltage offset in the comparator and the voltage offset that is created by the offset currents that flows thru the load at the comparators input. The goal with this comparator that has been developed has been that it will have a total voltage offset at maximum 500 uV. The comparator does not need to be extremely fast or does not need to operate in a big frequency area. To have all the flexibility that is needed a full custom technique is used. When the mismatch is most unfavourable the total offset is 209.24 uV which is within the goal. / För att kunna detektera små signalnivåer med en komparator krävs att den har en lägre total spänningsoffset än den signalnivå den skall detektera. I den totala offseten ingår dels den rena spänningsoffseten i komparatorn och dels den spänningsoffset som kommer att skapas när offsetströmmar på komparatorns ingångar går igenom den last som finns på ingången. Målet med den komparator som utvecklats har varit att den skall ha en total spänningsoffset på maximalt 500 uV. Inga direkta krav såsom att den skall vara snabb och att den skall kunna arbeta inom ett stort frekvensområde finns. För att få den flexibilitet som behövs är komparatorn konstruerad i en så kallad full custom teknik. När missanpassningen är som mest ogynnsam hamnar den totala spänningsoffseten på 209.24 uV vilket ligger inom målet med god marginal.