Dispositifs à semiconducteurs pour l'électronique Familles de diodes et transistors Prépa. agreg....
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Dispositifs à semiconducteurs pour l'électronique
Familles de diodes et transistors
Prépa. agreg. physique appliquée 2010-2011
Arnaud BournelIEF – Bât. 220 Univ. Paris Sud
Pièce 111ter - 01 69 15 78 [email protected]
Exemple : récepteur PHS
PHS (Personal Handy Phone System) : téléphone mobile japonais 2nde génération
D'après Larson, IEEE J. Solid State Circ. 33, 387 (1998)
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
0
0,5
1
1,5
2
0 5 10 15 20Vit
esse
des
éle
ctro
ns
(107
cm/s
)
Champ électrique (kV/cm)
Si
GaAs
Pas seulement Si, aussi SiO2
Surfaces isoénergiebande conduction Si
xk
yk
zk
2 2
eff
k
2m
Surface isoénergieBande de conduction de GaAs
Du sable au circuit Si
Si : 2ème élément le plus fréquentde la croûte terrestre
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
Familles de bipolairesTransistors 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
Familles de bipolairesTransistors 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
Diode (Si) à jonction PN
Applications :
• Redressement
• Effet Zener : stabilisation de tension
• Diode en inverse : varicap conversion tension/fréquence
• Dans plein de dispositifs…
ZCEP (NA) N (ND)
IAK
KA
0
IAK
VAK
0,7 V
-BV
4/3mindopNBV
A propos de la jonction PN en inverse (ou pas)
2
nG iDans la ZCE, génération de paires électron/trous, à la vitesse
ZCEP (NA) N (ND)
E
Electrons et trous sont balayés par le champ électriquece qui crée un courant inverse de génération
RDAD
scZCE VΨ
N
1
N
1
q
2W
0xd
Jd
q
1G G ZCE
iG W
2
nqJ
dans la ZCE
où
h+ e-
0
x
A
x
0
Dj
p
n
xdxNqxdxNqQZCE
sc
ZCEnsc
D
nD
V
jT WWx
NqxNq
V
QC
0
En outre, effet capacitif dû à la variation de WZCE en fonction de VR
Capacité dite de transition
Diode Si avec NA = 1018 cm-3, ND = 1015 cm-3 et = 10 ns
→ JG = 8×10-6 A.cm-2 à VR = 0 V alors que JS = 3×10-12 A.cm-2 où
1
Tk
VqexpJJ
B
directSdirect
Diode PIN
I (nid)P+ N+
IAK
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
t/E0
Diode Schottky
EF
Métal
Semiconducteur NND 1017 cm-3
Energie
EC
EV0
IAK
VAK
~ 0,3 V sur Si
Energie
EF
Métal
Semiconducteur NND 1019 cm-3
EC
EV
Flux "thermoionique"
0
IAK
VAK
Effet tunnel
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)
Diode Gunn
GaAs dopé N
0
0,5
1
1,5
2
0 5 10 15 20Vit
esse
des
éle
ctro
ns
(107
cm/s
)
Champ électrique (kV/cm)
GaAs
*
20
2
cinétiquem2
)kk(E
k
m* = 0,063 m0 < m*
L = 0,11 m0
Résistance différentielle négative
T = 300 K
(*) : J. Pozhela, A. Reklaitis, Solid State Electron. 23, 927-933 (1980)
(*)
Données sur les semiconducteurs : cf. http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/index.html m0 = 9,1×10-31 kg, masse de l'électron dans le vide
Familles de bipolairesTransistors 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
VBE VBC
E (N++) B (P+) C (N)
Jne
Jpe
Jnc = B0 Jne MJnc
IE
IB
IC
...si
NN
WW
D
D1
1
JJ
J
DE
AB
E
B
nB
pEpEnE
nEF
ZCEB/C
Mt
1MBJ
J
I
Ia
nB
BF0F
E
C
E
C
a1
a
II
I
I
Ib
CE
C
B
C
0-WE +WB +WB+WC x
Le BJT filamentaire
Schéma équivalent petits signaux simplifié (régime normal direct)
CTE+CDE
vBE vCE
iB iC
gmvBE r0
Base
Emetteur
CollecteurCTC
Performances fréquentielles
r
CDE = gmtB, r0 = Va/IC0,Iq
Tkbr
0C
B,
Tk
Iqg
B
0Cm
0C
TCTEBB
T
ICC
qTk
t2
1f
nB
2B
B D2
Wtavec Gain pour 1
i
i
B
C
Effet de géométrie
Géométrie réelle non filamentaire résistance d'accès à la base rBB'
limite fmax :
L0C
TCTEBTC
L
B'BB
max
RICC
qTk
CRt
r2
1f
Idée : NAB ou/et WB mais alors F
B EC
rBB' 1/(NABWB)
Substrat P
Subcoll. N+
Coll. N
rBB'
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 neutrede la base :
assure : 0dx
dpqDEqpµJ pbpp
accélère les e- tB
Bipolaire à hétérojonction III-V
Tk
E
DE
AB
E
B
nB
pE2
iB
2iE
DE
AB
E
B
nB
pEF
B
G
eNN
WW
D
D1
1
n
nNN
WW
D
D1
1
Di Forte-Poisson, Materials Science Semicond. Process. 4, 503 (2001)
x
x
BaseGaAs
surdopéeUne barrière E/B pour les trous
plus grande que pour les électronsInGaP GaAs
Autrement dit…
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 mm2
0
100
200
300
400
500
10-2 10-1 100 101 102
Fréquence de transit (GHz)
Densité de courant collecteur (mA/µm2)
40 K508 GHz
295 K
311 GHz
Fréquence de
transit fT (GHz)
VCE = 1,3 V
N. Zerounian et al., Elec. Lett. 2007
Carac.TBH Si/SiGe
ST Micro.à l'IEF
IV-IV vs. III-V
D. L. Harame et al., Applied Surface Science 224, 9–17 (2004)
Explosion de la bulle internet
Familles de bipolairesTransistors 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
Transistors à effet de champ, c’est quoi ?
Source S Drain 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 ID est défini positif dans le sens D vers S (resp. S vers 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
Le plus répandu, le transistor MOSFET
2000
Si (substrat)
Source(siliciure)
Grille Drain(siliciure)
Siliciure
Isolant de passivation
SiO2 : oxyde de grille, par oxydation thermique de Si
LG = 80 nm
S G
ND
NA
D
B
NDXj
eox
LG
Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor
Substrat dopé P
Caisson N+ PolysiliciumOxyde (SiO2)
L’approximation du canal graduel
xµ)x(qnqnvj nnn
SG
D
0
e(x)
xWµ)x(e)x(qnW)x(ejI nnD
En régime de mobilité
Soit encore
QI(x) = ‑qn(x)e(x) = -Cox (VGS – VT – (x)) x
))x(VV(CWµI TGSoxnD
Or et donc
xLG
GG L
0
TGSoxn
L
0
D dxx
))x(VV(CWµdxI
Si le canal est formé de la source jusqu'au drain
2TGS
2DSTGS
oxn
V
0
TGSoxnGD )VV()VVV(2
CWµd)VV(CWµLI
DS
2
VVVV
L
CWµI DS
TGSDSG
oxnD Régime "linéaire" ou "ohmique"
ID
ID
Saturation par pincement du canal
SG
DLG0 xP
EZCEE//
Pincement du canal pour VGP = VGS – VPS = VT
G
TGS
P
TGS
P
PS// L
VV
x
VV
x
VE
sature par rapport à VDS
Pour un transistor long…
2
VVVVVV
L
CWµI TGS
TGSTGSG
oxnDsat
2TGSG
oxnDsat VV
L2
CWµI
Comme ns(0) est contrôlé par VGS et que EZCE assure la continuité du
courant
VGS0 < VT
ID
VDS0
VGS1 > VT
VGS2 > VGS1
VGS3 > VGS2
VGS4 > VGS3
Ohmique Source de courantP se rapproche de S quand VDS
Technologie CMOS (C pour complementary)
VDD
CL
tP = CL
VDD
Ion
Rapidité :
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) !
NMOSFET
PMOSFET
Vout
Charge ducondensateurpour Vin = 0 V
Décharge du condensateurpour Vin = VDD
Vin
G
G
IonP
IonN
Loi de Moore (CI numériques Si)
1000
104
105
106
107
108
0,1
1
10
100
1000
104
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005Nom
bre
de tr
ansi
stor
s pa
r pu
ce Fréquence d'horloge (M
Hz)
Année d'introduction sur le marché
386TM / 1 µm
Pentium(R) / 0,5 µm
Pentium(R) III / 0,18 µm
Electronics 38 (8), 114‑117 (1965)
1, 0,5 , 0,18 µm… = half pitch
LG
eox
x
V >0DS
Rapprochement source-drain• courant "bloqué" IOFF
• conductance gD
Phénomènes de quantification
Fluctuation de la répartition des
impuretés(quelques dizaines
dans le volumeactif du MOSFET)
Solution: eox
pour mieux contrôler le transistor
Épaisseur d’oxyde plus mince• VDD (tenue en tension)• Fuites par courant tunnel de grille
emax
emin
Erreur relative sur l’épaisseur du SiO2
dispersion des composants
Les problèmes liés à la réduction de LG
Sans oublier la puissance à dissiper
Le circuit consomme pendant la commutation in2DDL fVCP
2005 2010 2015 20200
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
High-perf
Cost-perf
On battery
Année de production
Pui
ssan
ce (
W)
Limité par la dissipation
(refroidissement)
Limité par la consommation
Prévisions ITRS (http://www.itrs.net)
Et VDDIoff en statique
Plus rapide que Si : Si contraint
Si contrainten tension
Pseudo-substratSiGe
("grande" maille cristalline)
Substrat Si("petite" maille cristalline)
Oxyde
Canal Si sur Si1-xGex
Pour les trous : Si en compression sur SiGe(les trous lourds deviennent moins lourds)
0
0,5
1
1,5
2
0 5 10 15 20Vit
esse
des
éle
ctro
ns
(107
cm/s
)
Champ électrique (kV/cm)
Si/SiGe
Si
GaAs
Vitesse des électrons/trous en ohmique
mL
Vqv R
G
DS
Masse m* vitesse
D'autres méthodes pour contraindre
Thompson et al., IEEE Trans. Electron. Dev., 2004
Mais contraintespeu homogènes !
Voire non voulues.Modèle ?!
Thèse F. AndrieuGrenoble, 2005
PMOS
MOSFET sur isolant (Silicon On Insulator)
MOSFET
Connexions métalliques
Oxyde enterré
Substrat Si
Grille
SOI
Coupe transversale du film actifJ. Kedzierski et al., IEDM 2001
Park et al., IEEE Electron Dev. Lett. 2001
ITRS 2001 (http://public.itrs.net/)
Années 2001 2002 2005 2007 2010 2013 Half pitch (nm) 150 130 80 65 45 32
Niveaux métal
8
8
10
10
10
11
Longueur interco.(m/cm2)
4086
4843
9068
11169
16063
22695
MOSFET
6 niveauxmétalliques
Via
Ne pas oublier les interconnexions
Vers des interconnexions optiques ?
Bloc CMOS
Détecteur
1 mW
Modulateur
> qq µWSubstrat Si SiO2
guide ruban(gravure totale du Si)
IEF / CEA-LETI
gmvGSiCGS
vDSi
CDS gDS
CGDGrille
Source
DrainRG RD
RS
iD0
Ri
gm,
iD0 = gm e-2jfvGSi
+ inductances parasites LS, LG, LD (en série, respectivement, avec RS, RG, RD)
vGSi
CBD
Substrat
CBSCBG
RBS
RSBDRBD
MOSFET en haute fréquence ?
FET à jonction PN : J(unction)FET
S D
G
ND
NA
ZCE
Technologie obsolète aujourd'hui sauf :• Salles de TP…• Applications très faible bruit en 1/f (JFET au Ge)
Contrôle extension ZCE par VGS (PN en inverse) Contrôle de ID par celui de la surface traversée par le courant
(I = qnveW)
e
FET à jonction Schottky : ME(tal)S(emiconductor)FET
S DG
GaAs dopé ND 1017 cm-3
ZCE
Application : MESFET III-V pour amplificateur de puissancemais supplanté par…
N+ N+
GaAs semi-isolant
e
espaceur
canal
région active
6-12 nm
2-3 nm
couche tampon
substrat semi-isolant
InAlAs
InAlAs
InGaAs
InAlAs
InP
N+
N+
n.i.d.cap
1-2 nm10-15 nm
n.i.d.
source draingrille
High Electron Mobility Transistor (HEMT)
Amplificateur 94 GHz en technologie III-V
EC
y0
Ey = Ey(VG)VG
y
Ou MODFET : Modulation Doped FETVoire TEGFET : Two dimensional Electron Gas FET
n.i.d.
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
0.1 1 10 100
Frequency (GHz)
Pha
se n
ois
e a
t 10
kH
z of
fset
(dB
c/H
z)
BAW quartzSAW best results
SAW commercial
Si BJT DRO
YIG oscillator
(wideband)
Si BJT DRO
FET DRO
SiGe HBT DRO (QL = 4100)meas.
sim.WGM sapphire oscillator
WGM sapphire oscillator
+ carrier rejection technique
BJT DRO
FET DROSiGe HBT DRO (QL = 2500)
HBT DROHBT DRO
FET DRO
FET DRO
HEMT DRO
FET DRO
HEMT DROHBT DRO FET DRO
SiGe HBT VCO
SiGe HBT VCO
HBT VCO
Si BJT VCO
HBT VCOFET VCO
HEMT VCO
SiGe HBT DROSiGe HBT VCO
SiGe HBT VCOSiGe HBT VCO
SiGe HBT VCO
Document LAAS
Composants à hétérojonctions : état de l'art