Bruit de fond : méthodes de calcul dans les composants électroniques

1. Méthode de Langevin

1.1 Principe

1.2 Applications

2. Sources locales du bruit de fond

2.1 Origine des fluctuations de courant

2.2 Composante de la source due aux fluctuations des vitesses des porteurs

2.3 Composante de la source due aux fluctuations de la densité volumique des porteurs

3. Méthode du champ d’impédance

3.1 Présentation intuitive du problème

3.2 Introduction du champ d’impédance

3.3 Champ d’impédance et calcul du bruit de fond

3.4 Calcul du champ d’impédance et exemples de calcul de bruit

4. Problèmes posés par les composants submicroniques

4.1 Comportement inhabituel de paramètres macroscopiques

4.2 Effets de dynamique non stationnaire

4.3 Corrélations spatiales des sources de bruit

4.4 Changement de nature du bruit

4.5 Effets de discrétisation

4.6 Orientations

5. Annexe I : problème des fluctuations de courant induites par les porteurs de charges dans un matériau conducteur

5.1 Situation générale du problème

5.2 Calcul de la variance de I (t )

6. Annexe II : résolution d’une équation différentielle du premier ordre

7. Annexe III : fonction de Green d’un opérateur linéaire

8. Annexe IV : fonction de Dirac

Références bibliographiques

Cet article se présente comme une suite logique de celui consacré à la caractérisation des composants et des circuits, dans lequel sont exposés les concepts de base des fonctions aléatoires, la description des différentes composantes fondamentales du bruit de fond, l’approche de la caractérisation du bruit de fond dans le cadre de la théorie des circuits, avec des exemples empruntés aux composants passifs et actifs les plus courants et enfin des notions précises concernant la métrologie du bruit de fond.

Le développement toujours plus rapide de nouveaux composants fabriqués avec de nouveaux matériaux, joint à la conception assistée par ordinateur (CAO) de plus en plus utilisée par les centres de recherche, rend nécessaire de former les scientifiques à des techniques de description plus fines qui permettent de tenter de caractériser le bruit de fond électronique des composants, durant l’étape de sa conception. C’est ce que nous nous sommes efforcés de faire en exposant, pour l’ingénieur, les méthodes de calcul du bruit de fond dans les composants électroniques.

Dans la première partie, nous développons la méthode originale de Langevin, que nous illustrons par quelques exemples classiques.

Dans la deuxième partie est décrit le concept de sources locales de bruit de fond, dues soit aux fluctuations des vitesses des porteurs de charge, soit aux fluctuations de la densité des porteurs. Cette notion permet, lors de la conception d’un composant, de faire intervenir les sources de bruit en chaque point et donc de réaliser une description physique microscopique des fluctuations dans le composant.

La troisième partie est relative à la description d’une méthode puissante, la méthode du champ d’impédance, pour calculer le bruit de fond que présente un composant, si sont connues les sources locales de bruit de fond qu’il contient. Puis sont clairement développées deux applications, l’une utilisant le champ électrique local et concernant le bruit de la diode à injection en régime de simple charge d’espace, et l’autre utilisant le potentiel local et concernant le bruit du canal d’un transistor à effet de champ.

Dans la dernière partie sont rassemblés, pour sensibiliser le lecteur aux aspects modernes et futuristes, des problèmes posés par les nouvelles technologies submicroniques aux concepteurs chargés de prévoir les performances de ces futurs composants et aussi bien entendu le bruit de fond qu’ils devraient présenter