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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Présentation
Différentes architectures de transistor bipolaire
En anglais
1. Fonctionnement et caractéristiques électriques du transistor bipolaire
1.1 Fonctionnement
Le fonctionnement du composant est appréhendé en utilisant un transistor bipolaire NPN à homojonction, c’est-à-dire constitué d’un seul matériau comme le silicium. Ce composant actif est composé de deux jonctions PN montées tête-bêche, constituées chacune de trois zones principales dopées successivement N+, P et N. Ces régions sont appelées respectivement émetteur, base et collecteur. Dans ce paragraphe, nous donnons les principes de fonctionnement pour un transistor NPN dans un mode de fonctionnement direct, c’est-à-dire quand la jonction émetteur-base (E-B) est polarisée en direct (V BE > 0 V), alors que la jonction base-collecteur (B-C) est polarisée en inverse (V BC < 0 V). Ces polarisations vont moduler les deux zones de charge d’espace (ZCE) (aussi appelées zones de déplétion) ainsi créées et déterminer le mode et l’amplitude du transport des charges. Le mode direct, dont une représentation schématique est présentée sur la figure 1, est celui généralement utilisé pour les applications analogiques et radiofréquences.
Le fonctionnement du dispositif est basé sur l’effet transistor. Du fait de la polarisation directe de la jonction E-B, il y a un abaissement de la barrière de potentiel et les électrons sont injectés de l’émetteur vers la base où ils deviennent minoritaires. Si la base est très fine devant la longueur de diffusion des électrons, ces derniers atteindront la ZCE B-C par diffusion ; c’est l’effet transistor. Ces électrons sont ensuite happés vers le collecteur grâce au champ électrique régnant dans la ZCE B-C. Une source de courant est donc créée entre l’émetteur et le collecteur. Cette source de courant peut être contrôlée en tension (par la polarisation entre la base et l’émetteur V BE) ou en courant (par le courant de base I B). La figure 2 représente les bandes de conduction et de valence d’un transistor bipolaire polarisé en mode direct. Les trous se déplacent de la base vers l’émetteur, du côté de la barrière énergétique la plus faible, ce qui correspond à la composante principale du courant de base I B. Les électrons vont de l’émetteur...
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Fonctionnement et caractéristiques électriques du transistor bipolaire
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...
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ANNEXES
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