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Dispositifs à semiconducteurs pour l'électronique Familles de diodes et transistors Prépa. agreg. physique appliquée2010-2011 Arnaud Bournel IEF – Bât.

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

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

3 Du choix du matériau semiconducteur IIIIIIVVVIVIIVIII He BCNOFNe AlSiPSClAr ZnGaGeAsSeBrKr CdInSnSbTeIXe Pas seulement Si, aussi SiO 2 Surfaces isoénergie bande conduction Si Surface isoénergie Bande de conduction de GaAs

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

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

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

8 Diode (Si) à jonction PN Applications : Redressement Effet Zener : stabilisation de tension Diode en inverse : varicap conversion tension/fréquence Dans plein de dispositifs… ZCEP (N A )N (N D ) I AK KA 0 V AK 0,7 V -BV

9 A propos de la jonction PN en inverse (ou pas) Dans la ZCE, génération de paires électron/trous, à la vitesse ZCEP (N A )N (N D ) Electrons et trous sont balayés par le champ électrique ce qui crée un courant inverse de génération dans la ZCE où h+h+ e-e- En outre, effet capacitif dû à la variation de W ZCE en fonction de V R Capacité dite de transition Diode Si avec N A = cm -3, N D = cm -3 et = 10 ns J G = 8×10 -6 A.cm -2 à V R = 0 V alors que J S = 3× A.cm -2 où

10 Diode PIN I (nid)P+P+ N+N+ I AK KA 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 = = peu dopé P) dans la gamme f > 30 GHz (courants de dérive et de déplacement en ) Photodétecteur

11 Diode Schottky EFEF Métal Semiconducteur N N D cm -3 Energie ECEC EVEV 0 I AK V AK ~ 0,3 V sur Si Energie EFEF Métal Semiconducteur N N D cm -3 ECEC EVEV Flux "thermoionique" 0 I AK V AK Effet tunnel

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

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

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

15 V BE V BC E (N ++ )B (P + )C (N) J ne J pe J nc = B 0 J ne MJ nc IEIE IBIB ICIC ZCE B/C 0 -W E +W B +W B +W C x Le BJT filamentaire

16 Schéma équivalent petits signaux simplifié (régime normal direct) C TE +C DE v BE v CE iBiB iCiC g m v BE r0r0 Base Emetteur Collecteur C TC Performances fréquentielles r C DE = g m t B, r 0 = V a /I C0 Gain pour

17 Effet de géométrie Géométrie réelle non filamentaire résistance d'accès à la base r BB' limite f max : Idée : N AB ou/et W B mais alors F BEC r BB' 1/(N AB W B ) Substrat P Subcoll. N + Coll. N r BB'

18 Un composant de compromis N DE = cm -3 N AB = 10 à 100 moins que N DE W B = 100 à 200 nm Base à dopage graduelle pour t B N DE N AB0 e - x N DC EbEb "Built in field" E b dans la zone quasi neutre de la base : assure : accélère les e - t B

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

20 Bipolaire à hétérojonction IV-IV Ashburn, Materials Science Semicond. Process. 4, 521 (2001) Circuit intégré GPS en Si/SiGe : 2 mm × 2,5 mm = 5 mm 2 40 K 508 GHz 295 K 311 GHz Fréquence de transit f T (GHz) V CE = 1,3 V N. Zerounian et al., Elec. Lett Carac. TBH Si/SiGe ST Micro. à l'IEF

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

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

23 Transistors à effet de champ, cest quoi ? Source SDrain D 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 I D est défini positif dans le sens D vers S (resp. S vers D) On a I D = 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 n s = ne (ou pe) (MOSFET, HEMT) Composants unipolaires dans tous les cas

24 Le plus répandu, le transistor MOSFET 2000 Si (substrat) Source (siliciure) Grille Drain (siliciure) Siliciure Isolant de passivation SiO 2 : oxyde de grille, par oxydation thermique de Si L G = 80 nm S G NDND NANA D B NDND XjXj e ox LGLG Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Substrat dopé P Caisson N + Polysilicium Oxyde (SiO 2 )

25 Lapproximation du canal graduel S G D 0 e(x) En régime de mobilité Soit encore Q I (x) = qn(x)e(x) = -C ox (V GS – V T – (x)) Or et donc x LGLG Si le canal est formé de la source jusqu'au drain Régime "linéaire" ou "ohmique" IDID IDID

26 Saturation par pincement du canal S G D LGLG 0 x P E ZCE E // Pincement du canal pour V GP = V GS – V PS = V T sature par rapport à V DS Pour un transistor long… Comme n s (0) est contrôlé par V GS et que E ZCE assure la continuité du courant V GS0 < V T IDID V DS 0 V GS1 > V T V GS2 > V GS1 V GS3 > V GS2 V GS4 > V GS3 OhmiqueSource de courant P se rapproche de S quand V DS

27 Technologie CMOS (C pour complementary) V DD CLCL t P = C L V DD I on Rapidité : Idée de base : la longueur de grille L G I on t P il faut en même temps un courant I off très faible à l'état bloqué (consommation statique) ! NMOSFET PMOSFET V out Charge du condensateur pour V in = 0 V Décharge du condensateur pour V in = V DD V in G G I onP I onN

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

29 LGLG e ox Rapprochement source-drain courant "bloqué" I OFF conductance g D Phénomènes de quantification Fluctuation de la répartition des impuretés (quelques dizaines dans le volume actif du MOSFET) Solution: e ox pour mieux contrôler le transistor Épaisseur doxyde plus mince V DD (tenue en tension) Fuites par courant tunnel de grille Erreur relative sur lépaisseur du SiO 2 dispersion des composants Les problèmes liés à la réduction de L G

30 Sans oublier la puissance à dissiper Le circuit consomme pendant la commutation Limité par la dissipation (refroidissement) Limité par la consommation Prévisions ITRS (http://www.itrs.net) Et V DD I off en statique

31 Plus rapide que Si : Si contraint Si contraint en tension Pseudo-substrat SiGe ("grande" maille cristalline) Substrat Si ("petite" maille cristalline) Oxyde Canal Si sur Si 1-x Ge x Pour les trous : Si en compression sur SiGe (les trous lourds deviennent moins lourds) Vitesse des électrons/trous en ohmique Masse m * vitesse

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

34 ITRS 2001 (http://public.itrs.net/) MOSFET 6 niveaux métalliques Via Ne pas oublier les interconnexions

35 Vers des interconnexions optiques ? Bloc CMOS Détecteur 1 mW Modulateur > qq µW Substrat Si SiO 2 guide ruban (gravure totale du Si) IEF / CEA-LETI

36 g m v GSi C GS v DSi C DS g DS C GD Grille Source Drain RGRG RDRD RSRS i D0 RiRi g m, i D0 = g m e -2 jf v GSi + inductances parasites L S, L G, L D (en série, respectivement, avec R S, R G, R D ) v GSi C BD Substrat C BS C BG R BS R SBD R BD MOSFET en haute fréquence ?

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

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

39 espaceur canal région active 6-12 nm 2-3 nm couche tampon substrat semi-isolant InAlAs InGaAs InAlAs InP N+N+ N+N+ n.i.d. cap 1-2 nm nm n.i.d. sourcedraingrille High Electron Mobility Transistor (HEMT) Amplificateur 94 GHz en technologie III-V ECEC y 0 E y = E y (V G ) VGVG y Ou MODFET : Modulation Doped FET Voire TEGFET : Two dimensional Electron Gas FET n.i.d.

40 Document LAAS Composants à hétérojonctions : état de l'art


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