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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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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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- Version archivée 1 de nov. 1998 par Jean DE PONTCHARRA
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5. Conclusion
L’histoire du transistor bipolaire a commencé avec son invention en 1947. Dix ans plus tard, en 1957, le concept de transistor bipolaire à hétérojonction (TBH) a été découvert. Le premier TBH Si/SiGe n'a été cependant fabriqué qu’en 1987 et il a fallu une dizaine d’années supplémentaires pour voir apparaître en production la première technologie BiCMOS SiGe. Les avantages des transistors bipolaires par rapport aux transistors MOS ont conduit à l’utilisation de technologies bipolaires et BiCMOS dans de nombreuses applications, y compris dans les premiers microprocesseurs Pentium fabriqués par Intel en 1994 (utilisant une technologie BiCMOS Si 0,6 µm). Quant à la technologie BiCMOS SiGe, son âge d’or a été les années 2000 avec son utilisation massive dans les modules émetteur/récepteur RF des téléphones mobiles. L’évolution de la technologie CMOS, connue sous le nom de loi de Gordon Moore qui prédisait que le nombre de transistors par circuit de même taille allait doubler, à prix constant, tous les dix-huit mois, a conduit à une augmentation rapide des performances RF de cette technologie. Les technologies BiCMOS ont été alors progressivement reléguées à des applications de niche comme certains circuits utilisés pour les communications optiques, des circuits analogiques de précision ou des circuits RF haut de gamme (faible bruit ou forte puissance).
Bien que la domination des technologies CMOS, soutenue par la transformation numérique du monde, n’est pas près de s’achever, les technologies BiCMOS connaissent un regain d’intérêt pour deux raisons principales :
-
la fin de l’amélioration des performances RF des technologie CMOS ;
-
la montée en fréquence des circuits commandée par l’évolution des réseaux de communication.
En effet, outre le fait que la miniaturisation des technologies CMOS s’est ralentie depuis plusieurs années (la loi de Moore n’est plus respectée), les performances RF des technologies CMOS semblent ne plus s’améliorer de façon significative du fait du poids des éléments parasites d’interconnexions (avec un pic de f MAX autour des nœuds 20 nm/40 nm). A contrario, les performances des TBH Si/SiGe continuent de s’améliorer et rivalisent avec celles des technologies III-V. Par ailleurs, l’avantage du faible coût des technologies CMOS par rapport aux technologies BiCMOS n’est plus vrai pour les nœuds CMOS avancées...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MATHIEU (H.), FANET (H.) - Physique des semiconducteurs et des composants électroniques. - Dunod (2009).
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(2) - ASHBURN (P.) - SiGe Heterojunction Bipolar Transistors. - Wiley-Blackwell (2003).
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-
(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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