Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article décrit le fonctionnement du transistor bipolaire et présente les procédés de fabrication associés dans le cas plus spécifique du transistor bipolaire à hétérojonction silicium/silicium germanium intégré en technologie BiCMOS. Les avantages et les contraintes de différentes architectures de transistor et des nœuds CMOS les intégrant sont détaillés. Les états de l’art des transistors et des technologies BiCMOS sont également revus et les défis de la montée en fréquence sont discutés. Enfin, les principales applications radiofréquences en gamme d’onde millimétrique (fréquence > 30 GHz) sont brièvement abordées et des performances de circuits intégrés sont présentées.
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This paper explains the bipolar transistor device physics and presents the related manufacturing processes in the case of the Silicon / Silicon Germanium Heterojunction Bipolar Transistor integrated in BiCMOS technology. Advantages and constraints of different transistor architectures and CMOS nodes integrating them are covered. State-of-the-arts are presented for both the bipolar transistor and BiCMOS technologies and the challenges to further improve the frequency performance are debated. Finally, main radiofrequency applications in the millimetre-wave domain (frequency > 30 GHz) are briefly discussed and performances of integrated circuits are showed.
Auteur(s)
-
Pascal CHEVALIER : Ingénieur (PhD) - STMicroelectronics, Crolles, France
INTRODUCTION
Les transistors bipolaires intégrés avec les technologies CMOS ont donné naissance aux technologies BiCMOS (bipolar/CMOS), qui présentent l’intérêt de combiner les avantages des transistors bipolaires pour les circuits analogiques et radiofréquences (RF) à ceux des transistors à effet de champ (MOS) pour les fonctions numériques. Les principaux atouts des transistors bipolaires par rapport aux transistors MOS sont un gain supérieur (transconductance gM plus forte et conductance de sortie gD plus faible), un bruit basse fréquence plus faible, une meilleure tenue en tension (à vitesse égale), ainsi qu’une meilleure fiabilité. Les technologies BiCMOS regroupent plusieurs familles qui peuvent se classer en fonction de la gamme de tensions et de fréquences couvertes, et in fine des applications visées. Les technologies adressant les circuits haute tension intègrent généralement des transistors DMOS (Drift MOS) haute tension et sont de fait appelées BCD (bipolar/CMOS/DMOS). Les technologies intégrant des transistors bipolaires NPN et PNP complémentaires dans une technologie CMOS s’appellent C-BiCMOS (Complementary BiCMOS). Elles sont utilisées pour les circuits spécifiques dont les amplificateurs opérationnels. Enfin, les technologies auxquelles cet article s’intéresse plus particulièrement sont les technologies BiCMOS dites « rapides ». Elles sont principalement utilisées dans les réseaux d’infrastructures de communications optique et sans fil (RF), ainsi que pour les radars d’assistance à la conduite automobile. Leur principale caractéristique est d’intégrer des transistors bipolaires NPN à hétérojonction (TBH) silicium (Si)/silicium germanium (SiGe). Le fonctionnement et les caractéristiques électriques du transistor bipolaire, ainsi que les compromis associés, sont d’abord expliqués. Les différentes architectures de transistors, l’état de l’art des performances, ainsi que les défis de la montée en fréquence sont ensuite présentés. L’intégration BiCMOS et plus particulièrement les avantages et contraintes liés au nœud CMOS sont discutés. Enfin, quelques exemples d’applications des technologies BiCMOS rapides sont revues et les performances des circuits associées sont comparées avec ceux réalisés avec d’autres technologies.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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KEYWORDS
heterojunction bipolar transistor | silicon germanium | BiCMOS | radiofrequency
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 1998 par Jean DE PONTCHARRA
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Conclusion
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4. Applications aux circuits intégrés
La conception de circuits performants en un minimum d’itérations demande la réalisation de modèles électriques performants. La modélisation électrique des transistors bipolaires est présentée dans l’article [E 1 426].
Les principales applications des technologies BiCMOS rapides aujourd’hui sont :
-
les infrastructures de communication, que ce soit pour :
-
les communications sans fil entre les stations du réseau de téléphonie mobile (les fréquences retenues pour le réseau 5 G dans la plupart des pays sont aujourd’hui 28 GHz et 39 GHz) ;
-
les communications par fibre optique à l’intérieur d’un serveur et entre les serveurs d’un centre de données (courtes distances), ou entre plusieurs centres de données (longues distances) avec des débits de l’ordre de la dizaine à la centaine de Gbit/s ;
-
-
les capteurs en gamme d’onde millimétriques, dont les radars automobiles anticollision (longue distance) fonctionnant à des fréquences autour de 80 GHz sont aujourd’hui une réalité.
Il est intéressant de comparer les performances de circuits réalisés avec différentes technologies pour illustrer les avantages des technologies BiCMOS. C’est ce qui est fait au paragraphe 4.1 pour des circuits adressant d’une part les communications optiques et d’autre part les capteurs millimétriques.
4.1 Circuit de pilotage d’un modulateur électro-optique
L’objectif de ce type de circuit est de piloter le signal électrique envoyé à un modulateur optique, qui est un composant permettant de convertir ce signal électrique en un signal optique. Les paramètres importants pour ce type de circuit sont : sa bande passante (bandwidth), son taux de transmission (data rate) et son efficacité énergétique...
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Applications aux circuits intégrés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MATHIEU (H.), FANET (H.) - Physique des semiconducteurs et des composants électroniques. - Dunod (2009).
-
(2) - ASHBURN (P.) - SiGe Heterojunction Bipolar Transistors. - Wiley-Blackwell (2003).
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(3) - ESAKI (L.) - New Phenomenon in Narrow Germanium p − n Junctions. - Phys. Rev. 109, p. 603 (1958).
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(4) - LAGARDE (D.) et al - Band-to-band Tunneling in Vertically Scaled SiGe :C HBTs. - IEEE Electron Device Letters, vol. 27, n° 4, p. 275-277 (2006).
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(5) - KRAFT (J.) et al - Usage of HBTs beyond BVCEO . - Actes de la conférence IEEE BCTM, p. 33-36 (2005).
-
(6) - KIRK (C.T.) - A Theory of Transistor CutOff Frequency (fT) Falloff at High Current Densities. - IRE...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Google SOLI (détection des gestes par un radar)
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Conférence : IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS).
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