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 05arnaud.bournel@u-psud.fr

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)

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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

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Familles de transistors à effet de champ

Transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH)

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Familles de diodes

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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