La conception assistée par ordinateur (CAO) est largement utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs pour la conception et l’analyse des différents composants dont l’étude consiste à résoudre l'équation de dérive-diffusion et l’équation de Poisson. La caractéristique non linéaire de ces équations demande des solutions numériques interactives. Le schéma de Scharfetter-Gummel est utilisé classiquement pour discrétiser l'équation de dérive-diffusion non dégénérée (ou équation de Schockley) pour simuler les phénomènes de transport des particules «électrons et trous» dans un semi-conducteur. Initialement cette méthode a été appliquée à un domaine unidimensionnel. Par la suite, cette méthode a été étendue au problème bidimensionnel sur la base d'un maillage rectangulaire. L’objectif donc de cette thèse serait d’implanter un modèle de diode par VHDL-AMS basé sur la discrétisation selon la méthode Scharfetter-Gummel. Le langage VHDL-AMS (Hardware Description Language – Analog Mixed Signal) est un langage de description comportemental pour les circuits analogiques et mixtes. Inspiré de son équivalent pour les circuits logiques, le VHDL, VHDL-AMS serait donc une extension. Etant donné que le langage VHDL-AMS est de haut niveau, ceci nous permettra de modéliser le comportement de systèmes physiques, électriques, mécaniques ou autres. Parallèlement VHDL-AMS permet de créer des modules, appelés « entités ». Ceux-ci sont définis par leurs ports externes (qui sont une interface avec les autres architectures ou entités) et par des équations mathématiques. La possibilité d’utiliser directement des relations mathématiques lors de la description du modèle nous donne une grande souplesse d’utilisation. Comme tous les langages de description comportementale analogique, VHDL-AMS est initialement dédié à la modélisation de type « haut niveau », tel que la modélisation d’un système électronique complet. L’utilisation d’un tel langage afin de réaliser un modèle de diode, constitue donc une alternative de ce dernier. En raison du grand nombre de nœud il est nécessaire de générer le code VHDL-AMS à partir d'une interface de type java. Les résultats obtenus par cette méthode seront comparés avec d'autres obtenus par différents autres logiciels. Le modèle à concevoir aura comme objectif : - Correspondre aux spécifications initialement tracés par les concepteurs et ceci afin de leur permettre de mettre en évidence les différentes caractéristiques des modules. - Simuler facilement l'intégration et/ou l'adéquation du composant dans un système donné - être conçus de sorte qu'il soit utilisé dans des composants plus complexes. / Computer-aided design (CAD) is widely used in the semiconductor industry for the design and analysis of individual components whose study is to solve the drift-diffusion equation and the Poisson equation. The nonlinear characteristic of these equations request interactive digital solutions. The diagram Scharfetter-Gummel is conventionally used to discretize the non-degenerate drift-diffusion equation (or equation Schockley) to simulate particle transport phenomena "electrons and holes" in a semiconductor. Initially this method was applied to a one-dimensional domain. Subsequently, this method was extended to the two-dimensional problem on the basis of a rectangular mesh. So the aim of this thesis is to implement a VHDL-AMS diode model based on the discretization using the Scharfetter-Gummel method. The VHDL-AMS (Hardware Description Language - Analog Mixed Signal) is a behavioral description language for analog and mixed circuits. Inspired by its equivalent for logic circuits, VHDL, VHDL-AMS would be an extension. Since the VHDL-AMS is high level, this will allow us to model the behavior of physical systems, electrical, mechanical or otherwise. Meanwhile VHDL-AMS can create modules, called "entities". These are defined by their external ports (which are an interface with other architectures or entities) and by mathematical equations. The ability to use mathematical relationships directly in the description of the model gives us great flexibility. Like all analog behavioral description languages, VHDL-AMS is initially dedicated to the modeling of the type "high level" as the modeling of complete electronic systems. The use of such a language in order to achieve a diode model thus constitutes an alternative to the latter. Due to the large number of node it is necessary to generate the VHDL-AMS code from a Matlab-based interface. The results obtained by this method will be compared with others from various softwares. The model design will aim: - Match the specifications originally drawn by designers and in order to allow them to highlight the different characteristics of the modules. - Easily Simulate integration and / or the component adequacy in a given system - Be designed so that it is used in more complex components. -Finally We plan to conduct experimental measures in order to verify the accuracy of our model.

Afin de répondre aux besoins en management efficace de l’énergie électrique dans les bâtiments intelligents, le laboratoire GREMAN a proposé une nouvelle topologie d’interrupteur bidirectionnel de 600 V nommé TBBS. Les études antérieures ont validé la bidirectionnalité en courant et en tension de cette nouvelle topologie. Les travaux de recherche menées dans cette thèse avaient pour l’objectif d’approfondir, de compléter nos connaissances sur ce nouvel interrupteur bidirectionnel ainsi que sur le transistor bipolaire à fort gain. Le premier chapitre introduit le fonctionnement principal du TBBS et sa modélisation physique sous un environnement de simulation à éléments finis. Le deuxième chapitre présente le travail concernant la caractérisation expérimentale du TBBS et du transistor bipolaire à fort gain sous température contrôlée. Enfin la modélisation électrique du TBBS et du transistor bipolaire à fort gain est présentée dans le troisième et dernier chapitre. / In order to meet the requirement of more efficient electrical energy management for intelligent buildings, a new 600V bidirectional switch, named as TBBS, has been proposed by the GREMAN laboratory. Previous studies have validated the current and voltage bidirectionality of this newly proposed topology. The research work carried out in this thesis deals with a deeper and more comprehensive study of this bidirectional switch and its elementary component - the High-gain bipolar juncion transistor. The first chapter introduces the operation of the TBBS and its physical modeling in a finite element simulation environment. The second chapter presentes the research work related to the experimental caracterisation of the TBBS and the High-gain bipolar junction transistor. At last the third chapter deals with the electrical modeling of these two bipolar components.

Le travail de la thèse concerne la modélisation et l'analyse <br />mathématique du transport d'électrons confinés dans une nanostructure<br />dans le but d'implémenter des simulations numériques. Dans de tels<br />dispositifs nanométriques, les ordres de grandeurs ne jouent pas le<br />même rôle dans chaque direction. Les électrons peuvent être<br />extrêmement confinés dans une ou plusieurs directions. Un modèle <br />quantique est nécessaire pour décrire le confinement. Dans la<br />direction non confinée, le transport est supposé de nature classique. <br />Nous proposons alors un système couplé quantique/classique. <br />Les collisions intervenant lors du transport induisent un régime<br />diffusif des porteurs de charges. Le modèle diffusif est obtenu grâce<br />à une limite de diffusion d'un modèle cinétique. L'analyse<br />mathématique de cette limite de diffusion et du modèle diffusif couplé<br />sont présentées. Une simulation numérique du transport dans un<br />nanotransistor est obtenue avec ce modèle.

Over the last decade, electronics operating at high temperatures have been increasingly demanded to support in situ sensing applications such as automotive, deep-well drilling and aerospace. However, few of these applications have requirements above 460 °C, as the surface temperature of Venus, which is a specific target for the seismic sensing application in this thesis. Due to its wide bandgap, Silicon Carbide (SiC) is a promising candidate to implement integrated circuits (ICs) operating in such extreme environments. In this thesis, various analog and mixed-signal ICs in 4H-SiC bipolar technology for high-temperature sensing applications are explored, in which the device performance variation over temperatures are considered. For this purpose, device modeling, circuit design, layout design, and device/circuit characterization are involved. In this thesis, the circuits are fabricated in two batches using similar technologies. In Batch 1, the first SiC sigma-delta modulator is demonstrated to operate up to 500 °C with a 30 dB peak SNDR. Its building blocks including a fully-differential amplifier, an integrator and a comparator are characterized individually to investigate the modulator performance variation over temperatures. In the succeeding Batch 2, a SiC electromechanical sigma-delta modulator is designed with a chosen Si capacitive sensor for seismic sensing on Venus. Its building blocks including a charge amplifier, a multiplier and an oscillator are designed. Compared to Batch 1, a smaller transistor and two metal-interconnects are used to implement higher integration ICs in Batch 2. Moreover, the first VBIC-based compact model featured with continuous-temperature scalability from 27 to 500 °C is developed based on the SiC transistor in Batch 1, in order to optimize the design of circuits in Batch 2. The demonstrated performance of ICs in Batch 1 show the feasibility to further develop the SiC readout ICs for seismic sensor system operating on Venus. / <p>QC 20170911</p>

Silicon Carbide (SiC), owing to its large bandgap, has proved itself to be a very viable semiconductor material for the development of extreme temperature electronics. Moreover, its electrical properties like critical field (Ecrit) and saturation velocity (vsat) are superior as compared to the commercially abundant Silicon, thus making it a better alternative for RF and high power applications. The in-house SiC BJT process at KTH has matured a lot over the years and recently developed devices and circuits have shown to work at temperatures exceeding 500˚C. However, the functional reliability of more complex circuits requires the use of simulators and device models to describe the behavior of constituent devices. SPICE Gummel Poon (SGP) is one such model that describes the behavior of the BJT devices. It is simpler as compared to the other models because of its relatively small number of parameters. A simple semi-empirical DC compact model has been successfully developed for low voltage applications SiC BJTs. The model is based on a temperature dependent SiC-SGP model. Studies over the temperature dependences for the SGP parameters have been performed. The SGP parameters have been extracted and some have been optimized over a wide temperature range and they have been compared with the measured data. The accuracy of the developed compact model based on these parameters has been proven by comparing it with the measured data as well. A fairly accurate performance at the required working conditions and correlation with the measured results of the SiC compact model has been achieved.

Ce travail de thèse comporte trois parties. La partie principale s'intéresse au transport des courants polarisés en spin dans des matériaux à base de semi-conducteurs. Nous dérivons et analysons une hiérarchie des modèles allant du niveau microscopique au niveau macroscopique et tenant compte des différents mécanismes de rotation et de relaxation du vecteur spin dans les semi-conducteurs. Les mécanismes essentiels pris en compte sont les couplages spin-orbite et les interactions avec renversement de spin (spin-flip interactions). Une analyse semi-classique (via la transformation de Wigner) de l'équation de Schrödinger avec hamiltonien spin-orbite est présentée. Au niveau cinétique, l'équation de Vlasov (ou Boltzmann) spinorielle est une équation à valeur dans l'ensemble des matrices carrées d'ordre deux hermitiennes et positives. Partant ensuite de la spinor forme de l'équation de Boltzmann (avec différents opérateurs de collisions avec et sans renversement du vecteur spin) et par des techniques d'asymptotiques de diffusion, nous dérivons et analysons plusieurs modèles macroscopiques. Ils sont de type dérive-diffusion, SHE, Energie-Transport, à deux composantes ou spinoriels conservant des effets de rotation et de relaxation du vecteur spin. Nous validons ensuite ces modèles par des cas tests numériques. Deux applications numériques sont présentées : la simulation d'un transistor à effet de rotation de spin et l'étude de l'effet d'accumulation de spin à l'interface entre deux couches semi-conductrices différemment dopées. Dans la seconde partie, nous considérons une équation cinétique de type Boltzmann linéaire dans des domaines où un champ magnétique fort est appliqué. Nous étudions la limite de diffusion en supposant que le champ magnétique est unidirectionnel et tend vers l'infini. Le modèle obtenu est un modèle macroscopique constitué d'une équation diffusive dans la direction parallèle au champ magnétique et d'une dérive représentant l'effet centre-guide en présence d'un champ électrique dans la direction perpendiculaire. Le terme de diffusion contient des moyennes de giration de l'opérateur de collisions utilisé. Nous prouvons la convergence en utilisant des techniques d'entropie pour traiter le comportement diffusif, et en conjuguant par les rotations locales induites par le champ magnétique pour tenir compte des oscillations. Dans la troisième partie de cette thèse, Nous nous intéressons à la description du potentiel de confinement dans des gas d'électrons bidimensionnels. Nous étudions la limite faible longueur de Debye (ou faible température) du système de Schrödinger-Poisson unidimensionnel stationnaire sur un intervalle borné. Les électrons sont supposés dans un mélange d'états avec une statistique de Boltzmann (ou de Fermi-Dirac). En utilisant différentes reformulations du système comme des problèmes de minimisation convexe, nous montrons qu'asymptotiquement seul le premier niveau d'énergie est occupé. Le potentiel électrostatique converge vers une couche limite avec un profil calculé à l'aide d'un système de Schrödinger-Poisson sur le demi axe réel.

Silicon carbide (SiC) integrated circuits (ICs) can enable the emergence of robust and reliable systems, including data acquisition and on-site control for extreme environments with high temperature and high radiation such as deep earth drilling, space and aviation, electric and hybrid vehicles, and combustion engines. In particular, SiC ICs provide significant benefit by reducing power dissipation and leakage current at temperatures above 300 °C compared to the Si counterpart. In fact, Si-based ICs have a limited maximum operating temperature which is around 300 °C for silicon on insulator (SOI). Owing to its superior material properties such as wide bandgap, three times larger than Silicon, and low intrinsic carrier concentration, SiC is an excellent candidate for high-temperature applications. In this thesis, analog and mixed-signal circuits have been implemented using SiC bipolar technology, including bandgap references, amplifiers, a master-slave comparator, an 8-bit R-2R ladder-based digital-to-analog converter (DAC), a 4-bit flash analog-to-digital converter (ADC), and a 10-bit successive-approximation-register (SAR) ADC. Spice models were developed at binned temperature points from room temperature to 500 °C, to simulate and predict the circuits’ behavior with temperature variation. The high-temperature performance of the fabricated chips has been investigated and verified over a wide temperature range from 25 °C to 500 °C. A stable gain of 39 dB was measured in the temperature range from 25 °C up to 500 °C for the inverting operational amplifier with ideal closed-loop gain of 40 dB. Although the circuit design in an immature SiC bipolar technology is challenging due to the low current gain of the transistors and lack of complete AC models, various circuit techniques have been applied to mitigate these problems. This thesis details the challenges faced and methods employed for device modeling, integrated circuit design, layout implementation and finally performance verification using on-wafer characterization of the fabricated SiC ICs over a wide temperature range. / <p>QC 20170905</p>