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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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.
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- Version archivée 1 de nov. 1998 par Jean DE PONTCHARRA
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6. Glossaire
BiCMOS (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Technologies intégrant des transistors bipolaires avec des transistors à effet de champ CMOS de type n et de type p.
B-C (Base-Collecteur)
Désigne la jonction éponyme.
BV (Breakdown Voltage)
Tension de claquage (cf. sigles spécifiques aux tensions de claquage des transistors bipolaires).
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Technologies Si utilisant des transistors à effet de champ de type n et de type p.
C-BiCMOS (Complementary Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Technologies intégrant des transistors bipolaires NPN et PNP avec des transistors à effet de champ de type n et de type p.
C-S (Collecteur-Substrat)
Désigne la jonction éponyme.
DPSA-SEG (Double PolySilicon Self-Aligned Architecture using a Selective Epitaxial Growth)
Acronyme utilisé pour l’architecture de TBH Si/SiGe utilisant une épitaxie sélective de la base intrinsèque et deux couches de polysilicium pour l’émetteur et la base.
DTI (Deep Trench Isolation)
Isolation par tranchées profondes.
E-B (Emetteur-Base)
Désigne la jonction éponyme.
FDSOI (Fully Depleted SOI)
Technologies utilisant une épaisseur de l’ordre de la dizaine de nanomètre du silicium en surface. Ce film est complètement déplété avec l’application des tensions de polarisation des transistors MOS.
High-Speed (HS)
Type de transistor dans lequel la fréquence f T est favorisée par rapport à la tenue en tension.
High-Voltage (HV)
Type de transistor dans lequel la tenue en tension est favorisée par rapport à la fréquence f T.
Medium-Voltage (MV)
Type de transistor dans lequel la fréquence f T et la tenue en tension sont étudiées pour arriver à un compromis.
MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)
Circuit intégré monolithique microonde (onde radiofréquence de longueur micrométrique).
PDSOI (Partially Depleted SOI)
Technologies utilisant une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres du silicium en surface. Ce film est partiellement déplété avec l’application des tensions de polarisation des transistors MOS.
polysilicium ; polysilicon
Silicium...
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Glossaire
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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(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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