Dispositifs à semiconducteurs pour l'électronique

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1 Dispositifs à semiconducteurs pour l'électronique
Prépa. agreg. physique appliquée Dispositifs à semiconducteurs pour l'électronique Familles de diodes et transistors Arnaud Bournel IEF – Bât. 220 Univ. Paris Sud Pièce 111ter

2 Exemple : récepteur PHS
PHS (Personal Handy Phone System) : téléphone mobile japonais 2nde génération D'après Larson, IEEE J. Solid State Circ. 33, 387 (1998)

3 Du choix du matériau semiconducteur
II III IV V VI VII VIII He B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Zn Ga Ge As Se Br Kr Cd In Sn Sb Te I Xe Surfaces isoénergie bande conduction Si Surface isoénergie Bande de conduction de GaAs Pas seulement Si, aussi SiO2

4 Si : 2ème élément le plus fréquent
Du sable au circuit Si Si : 2ème élément le plus fréquent de la croûte terrestre

5 Le marché des composants à semiconducteurs (1996)
Tous types : 130 milliards de $ Dispositifs RF : 2,5 milliards de $ Filière Si : 60% (1,2%) Filière GaAs : 40% (0,8%) Filière GaAs : 1 milliard de $ Discret : 50% (0,4%) Circuits intégrés : Amplificateur 94 GHz CI SiGe pour GPS Intel Pentium IV Dispositifs RF : 2% D'après Muragachi, Solid State Electron. 43, 1591 (1999) Marché des semiconducteurs : 274 milliards de $ en 2007 GaAs : 3,6 milliards de $ en 2007

6 Plan du jour  Familles de diodes  Familles de bipolaires
Jonction PN Diodes PIN Diodes Schottky Diodes tunnel P+N+ Diodes Gunn  Familles de bipolaires Transistors bipolaires à homojonction (BJT) Transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH)  Familles de transistors à effet de champ Transistors métal/oxyde/silicium (MOSFET) Transistors à jonctions PN (JFET) Transistors à jonctions métal/semiconducteur (MESFET) Transistors à hétérojonctions (HEMT, MODFET)

7 Plan du jour  Familles de diodes  Familles de bipolaires
Jonction PN Diodes PIN Diodes Schottky Diodes tunnel P+N+ Diodes Gunn  Familles de bipolaires Transistors bipolaires à homojonction (BJT) Transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH)  Familles de transistors à effet de champ Transistors métal/oxyde/silicium (MOSFET) Transistors à jonctions PN (JFET) Transistors à jonctions métal/semiconducteur (MESFET) Transistors à hétérojonctions (HEMT, MODFET)

8 Diode (Si) à jonction PN
IAK A P (NA) ZCE N (ND) K IAK VAK -BV 0,7 V Applications : Redressement Effet Zener : stabilisation de tension Diode en inverse : varicap  conversion tension/fréquence Dans plein de dispositifs…

9 A propos de la jonction PN en inverse (ou pas)
Dans la ZCE, génération de paires électron/trous, à la vitesse P (NA) Electrons et trous sont balayés par le champ électrique ce qui crée un courant inverse de génération ZCE N (ND) h+ e- dans la ZCE où Diode Si avec NA = 1018 cm-3, ND = 1015 cm-3 et t = 10 ns → JG = 8×10-6 A.cm-2 à VR = 0 V alors que JS = 3×10-12 A.cm-2 où En outre, effet capacitif dû à la variation de WZCE en fonction de VR Capacité dite de transition

10 Diode PIN P+ I (nid) N+ Applications :
K IAK nid: non intentionally doped Applications : Redressement de puissance (BV  2500 V) basse fréquence Interrupteur HF (en travers ligne de transmission) Diode IMPATT (Impact Avalanche Transit Time) pour générateur HF (I = p = peu dopé P) dans la gamme f > 30 GHz (courants de dérive et de déplacement en ) Photodétecteur

11 Diode Schottky IAK Energie Métal EC EF VAK ~ 0,3 V sur Si EV
Flux "thermoionique" Métal EC EF VAK EV ~ 0,3 V sur Si Semiconducteur N ND  1017 cm-3 IAK VAK Effet tunnel Energie EF Métal Semiconducteur N ND  1019 cm-3 EC EV

12 Diode tunnel P+N+ (ou Esaki, Nobel 1973)
Résistance différentielle négative (RDN) D'après A. Vapaille et R. Castagné "Dispositifs et circuits intégrés semiconducteurs", Dunod

13 m0 = 9,1×10-31 kg, masse de l'électron dans le vide
Diode Gunn GaAs dopé N m*G = 0,063 m0 < m*L = 0,11 m0 Résistance différentielle négative T = 300 K (*) k (*) : J. Pozhela, A. Reklaitis, Solid State Electron. 23, (1980) Données sur les semiconducteurs : cf. m0 = 9,1×10-31 kg, masse de l'électron dans le vide

14 Plan du jour  Familles de diodes  Familles de bipolaires
Jonction PN Diodes PIN Diodes Schottky Diodes tunnel P+N+ Diodes Gunn  Familles de bipolaires Transistors bipolaires à homojonction (BJT) Transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH)  Familles de transistors à effet de champ Transistors métal/oxyde/silicium (MOSFET) Transistors à jonctions PN (JFET) Transistors à jonctions métal/semiconducteur (MESFET) Transistors à hétérojonctions (HEMT, MODFET)

15 Le BJT filamentaire E (N++) B (P+) C (N) Jne Jpe Jnc = B0 Jne MJnc ZCE
B/C IC IE -WE +WB +WB+WC x IB VBE VBC

16 Performances fréquentielles
 Schéma équivalent petits signaux simplifié (régime normal direct) Base iB CTC iC Collecteur r gmvBE r0 vBE vCE CTE+CDE Emetteur CDE = gmtB, r0 = Va/IC0 Gain pour

17 Effet de géométrie Géométrie réelle non filamentaire  résistance d'accès à la base rBB' C B E Substrat P Subcoll. N+ Coll. N rBB' rBB'  1/(NABWB)  limite fmax : Idée :  NAB ou/et  WB mais alors F 

18 Un composant de compromis
 NDE = 1020 cm-3  NAB = 10 à 100 moins que NDE  WB = 100 à 200 nm  Base à dopage graduelle pour  tB NDE NAB0 e-x NDC Eb "Built in field" Eb dans la zone quasi neutre de la base :  assure :  accélère les e-   tB

19 Bipolaire à hétérojonction III-V
Di Forte-Poisson, Materials Science Semicond. Process. 4, 503 (2001) x Base GaAs surdopée Une barrière E/B pour les trous plus grande que pour les électrons InGaP GaAs Autrement dit…

20 Bipolaire à hétérojonction IV-IV
Ashburn, Materials Science Semicond. Process. 4, 521 (2001) Fréquence de transit fT (GHz) Circuit intégré GPS en Si/SiGe : 2 mm × 2,5 mm = 5 mm2 508 GHz 40 K 311 GHz Carac. TBH Si/SiGe ST Micro. à l'IEF N. Zerounian et al., Elec. Lett. 2007 295 K VCE = 1,3 V

21 IV-IV vs. III-V Explosion de la bulle internet
D. L. Harame et al., Applied Surface Science 224, 9–17 (2004)

22 Plan du jour  Familles de diodes  Familles de bipolaires
Jonction PN Diodes PIN Diodes Schottky Diodes Zener et tunnel P+N+ Diodes Gunn  Familles de bipolaires Transistors bipolaires à homojonction (BJT) Transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH)  Familles de transistors à effet de champ Transistors métal/oxyde/silicium (MOSFET) Transistors à jonctions PN (JFET) Transistors à jonctions métal/semiconducteur (MESFET) Transistors à hétérojonctions (HEMT, MODFET)

23 Transistors à effet de champ, c’est quoi ?
Grille G Les porteurs vont de la source vers le drain dans un canal de conduction contrôlé par la grille Si canal d'électrons (resp. de trous), le courant de drain ID est défini positif dans le sens D vers S (resp. S vers D) Source S Drain D On a ID = q (n ou p) v eW où n (ou p) densité volumique de porteurs dans le canal e est l'épaisseur du canal et W sa largeur (width) v leur vitesse La grille contrôle par effet de champ (électrique) L'épaisseur e du canal (JFET, MESFET) ou la densité surfacique de porteurs ns = ne (ou pe) (MOSFET, HEMT) Composants unipolaires dans tous les cas

24 Le plus répandu, le transistor MOSFET
Polysilicium Caisson N+ S G ND NA D B Xj eox LG Oxyde (SiO2) 2000 Si (substrat) Source (siliciure) Grille Drain Siliciure Isolant de passivation SiO2 : oxyde de grille, par oxydation thermique de Si LG = 80 nm Substrat dopé P Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

25 L’approximation du canal graduel
ID S D ID LG x e(x) En régime de mobilité Soit encore QI(x) = ‑qn(x)e(x) = -Cox (VGS – VT – (x)) Or et donc Si le canal est formé de la source jusqu'au drain Régime "linéaire" ou "ohmique"

26 Saturation par pincement du canal
G S D P LG x E// EZCE Pour un transistor long… Pincement du canal pour VGP = VGS – VPS = VT sature par rapport à VDS VGS0 < VT ID VDS VGS1 > VT VGS2 > VGS1 VGS3 > VGS2 VGS4 > VGS3 Ohmique Source de courant P se rapproche de S quand VDS  Comme ns(0) est contrôlé par VGS et que EZCE assure la continuité du courant

27 Technologie CMOS (C pour complementary)
VDD Charge du condensateur pour Vin = 0 V G PMOSFET tP = CL VDD Ion Rapidité : IonP Vin Vout CL NMOSFET G Décharge du condensateur pour Vin = VDD IonN Idée de base :  la longueur de grille LG   Ion   tP  il faut en même temps un courant Ioff très faible à l'état bloqué (consommation statique) !

28 Loi de Moore (CI numériques Si)
1, 0,5 , 0,18 µm… = half pitch Electronics 38 (8), 114‑117 (1965)

29 Les problèmes liés à la réduction de LG
Fluctuation de la répartition des impuretés (quelques dizaines dans le volume actif du MOSFET) Rapprochement source-drain  courant "bloqué" IOFF  conductance gD Phénomènes de quantification Solution:  eox pour mieux contrôler le transistor LG eox  Erreur relative sur l’épaisseur du SiO2  dispersion des composants Épaisseur d’oxyde plus mince  VDD (tenue en tension) Fuites par courant tunnel de grille

30 Sans oublier la puissance à dissiper
Le circuit consomme pendant la commutation Et VDDIoff en statique 2005 2010 2015 2020 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 High-perf Cost-perf On battery Année de production Puissance (W) Limité par la dissipation (refroidissement) Prévisions ITRS ( Limité par la consommation

31 Plus rapide que Si : Si contraint
Canal Si sur Si1-xGex Pour les trous : Si en compression sur SiGe (les trous lourds deviennent moins lourds) Vitesse des électrons/trous en ohmique Masse m*  vitesse Oxyde Si contraint en tension Pseudo-substrat SiGe ("grande" maille cristalline) Substrat Si ("petite" maille cristalline)

32 D'autres méthodes pour contraindre
Thompson et al., IEEE Trans. Electron. Dev., 2004 Mais contraintes peu homogènes ! Voire non voulues. Modèle ?! Thèse F. Andrieu Grenoble, 2005 PMOS

33 MOSFET sur isolant (Silicon On Insulator)
Coupe transversale du film actif J. Kedzierski et al., IEDM 2001 Connexions métalliques Grille SOI Oxyde enterré MOSFET Substrat Si Park et al., IEEE Electron Dev. Lett. 2001

34 Ne pas oublier les interconnexions
6 niveaux métalliques MOSFET Via ITRS 2001 (

35 Vers des interconnexions optiques ?
Substrat Si SiO2 guide ruban (gravure totale du Si) IEF / CEA-LETI > qq µW Détecteur  1 mW Modulateur Bloc CMOS

36 MOSFET en haute fréquence ?
Ri gm,t iD0 = gm e-2pjft vGSi Grille Source Drain RG RD RS CGD CBD Substrat CBS CBG CGS gmvGSi CDS gDS vGSi vDSi iD0 RBS RSBD RBD + inductances parasites LS, LG, LD (en série, respectivement, avec RS, RG, RD)

37 FET à jonction PN : J(unction)FET
G NA ZCE S D e ND Contrôle extension ZCE par VGS (PN en inverse)  Contrôle de ID par celui de la surface traversée par le courant (I = qnveW) Technologie obsolète aujourd'hui sauf : Salles de TP… Applications très faible bruit en 1/f (JFET au Ge)

38 FET à jonction Schottky : ME(tal)S(emiconductor)FET
G D N+ ZCE N+ e GaAs dopé ND  1017 cm-3 GaAs semi-isolant Application : MESFET III-V pour amplificateur de puissance mais supplanté par…

39 High Electron Mobility Transistor (HEMT)
source grille drain Ey = Ey(VG) cap N+ VG n.i.d. N+ 10-15 nm InAlAs 1-2 nm espaceur InAlAs 2-3 nm y 6-12 nm canal InGaAs n.i.d. région active Amplificateur 94 GHz en technologie III-V couche tampon InAlAs n.i.d. substrat semi-isolant InP y Ou MODFET : Modulation Doped FET Voire TEGFET : Two dimensional Electron Gas FET

40 Composants à hétérojonctions : état de l'art
-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 0.1 1 10 100 Frequency (GHz) Phase noise at 10 kHz offset (dBc/Hz) BAW quartz SAW best results SAW commercial Si BJT DRO YIG oscillator (wideband) FET DRO SiGe HBT DRO (QL = 4100) meas. sim. WGM sapphire oscillator + carrier rejection technique BJT DRO SiGe HBT DRO (QL = 2500) HBT DRO HEMT DRO SiGe HBT VCO HBT VCO Si BJT VCO FET VCO HEMT VCO SiGe HBT DRO Document LAAS