La conception de photodiodes - usherbrooke.ca

Faculté de génie Département de génie électrique

et de génie informatique

Session 7 – Électrique Microélectronique et bio-ingénierie

(Photonique et capteurs)

La conception de photodiodes

Guide de l’étudiant Unité 1

Hiver 2013

2 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx

Note : En vue d’alléger le texte, le masculin est utilisé pour désigner les femmes et les hommes.

Document : S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx

Version 4, 14 janvier 2013

Par Serge Charlebois.

Copyright 2013, Département de génie électrique et de génie informatique, Université de Sherbrooke

L’Université se réserve le droit de modifier ses règlements et programme sans préavis.

S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx 3

Compétences terminales de la session S7 visées par l'unité

Compétences scientifiques et techniques propres au génie électrique Appliquer les diverses étapes du processus de résolution de problèmes à des problèmes propres au génie électrique dans les domaines de la micro/opto-électronique, notamment:

a) Analyser des dispositifs micro/opto-électroniques pour comprendre et déterminer leurs caractéristiques d’opération;

b) Élaborer la configuration d’un dispositif micro/opto-électronique relativement aux matériaux semi-conducteurs et aux composants de base pour rencontrer des spécifications d’opération données.

Compétences interpersonnelles a) Communiquer, en français, oralement et par écrit en utilisant le support approprié au moment

requis.

b) Comprendre, structurer et exploiter l'information.

Compétences intrapersonnelles a) Exercer des capacités d'analyse, d'abstraction et de synthèse.

b) S'acquitter de ses obligations et de ses responsabilités avec professionnalisme

c) S'auto-évaluer, c'est-à-dire, prendre du recul, évaluer l'état de la situation, évaluer ses propres limites, son besoin de formation et prendre les mesures qui s'imposent.


Énoncé de la problématique


En tant que nouvel/le ingénieur/e de design de dispositifs semiconducteurs, vous obtenez le mandat de concevoir une photodiode pour un client. Le cahier de charges de la demande du client se résume aux points suivants :

Spécifications du client 1. la photodiode doit être de configuration planaire circulaire afin d’être disposée en matrice;

2. la superficie doit être minimisée pour maximiser l’intégration en matrice;

3. la photodiode doit générer un courant de 1nA pour une excitation lumineuse de 50µW/cm2 à la longueur d’onde de 516nm;

4. le ratio photocourant sur courant de saturation en inverse doit être supérieur à 2.

5. la tension d’opération doit être inférieure à 60V;

6. le circuit de multiplexage et d’amplification devra être placé sur la même puce.

Votre intuition vous porte à considérer la conception d’une photodiode avalanche sur silicium telle qu’esquissée aux figures 1 et 2. Vous prendrez soin de justifier ce choix à votre client (qui n’est pas un expert du domaine).

Vous procédez d’abord à une estimation grossière de la géométrie du dispositif en calculant : • la puissance lumineuse déposée dans la diode; • la densité des porteurs générés; • la pénétration de la lumière dans le silicium; • la taille de la zone de déplétion • la densité de dopants nécessaire • la tension de claquage attendue; • la tension d’opération optimale.

Il faudra toutefois poser certaines hypothèses : le temps de vie des paires électron-trou, l’exposant de l’effet avalanche, etc.

En fixant une limite à ce courant de saturation, vous parvenez à estimer le niveau de dopage nécessaire (en supposant la jonction p-n idéale).

Pour simuler le dispositif, vous utiliserez le logiciel Taurus-Medici de Synopsys que votre employeur met à votre disposition. N’étant pas familier avec ce logiciel, vous tirez des archives le


projet de conception d’une diode qu’un de vos prédécesseurs a réalisé. Il vous manque toutefois le cahier de charge de ce client… Vous devez ainsi reproduire ses résultats et les analyser afin d’identifier le type de diode en cause et de mieux situer le travail à faire. Il suffira ensuite de modifier la géométrie de la photodiode en fonction des estimés précédant et de simuler.

On devra s’assurer que le simulateur tient bien en compte les phénomènes significatifs présents dans le dispositif qui touchent entre autre :

• la mobilité en fonction du champ; • l’effet tunnel de bande à bande; • le mécanisme d’avalanche.

Figure 1 Vue en coupe d’une photodiode avalanche planaire à géométrie cylindrique

Figure 2 Vue de dessus d’une photodiode avalanche planaire a géométrie cylindrique


Connaissances nouvelles à acquérir par la résolution de cette problématique

Connaissances déclaratives: Quoi • Structure de bande des semiconducteurs et distinction des métaux et isolants. Sem. 1 • Effet de potentiel électrostatique sur les bandes d’énergie. 1 • Type de porteurs (électrons et trous) 1 • Dopage des semiconducteurs, génération thermique de porteurs. 1 • Porteurs minoritaires et majoritaires. 1 • Dynamique des porteurs (mobilité, diffusion, dérive). 1 • Expression microscopique de la loi d’Ohm. 1 • Photogénération de porteurs excédentaires. 1 • Recombinaison des porteurs. 1 • Le potentiel de contact d’une jonction p-n. 2 • Zone de déplétion de porteurs. 2 • Capacité statique d’une jonction p-n. 2 • Processus de claquage (avalanche et tunnel). 2 • Composants opto-électroniques: photodétecteurs. 2

Connaissances procédurales: Comment • Calculer la densité de porteurs thermiques et leur type. Sem. 1 • Calculer la densité de porteurs photogénérés. 1 • Calculer la mobilité des porteurs à partir de mesures de résistivité. 1 • Calculer le courant de saturation inverse d’une jonction p-n. 2 • Calculer la taille de la zone de déplétion et la capacité statique d’une jonction. 2 • Savoir interpréter les diagrammes représentants le champ électrique, le potentiel

électrostatique. 1 • Savoir interpréter les diagrammes représentants le profil de bande d’un dispositif

et le niveau de Fermi et les pseudo-niveaux de Fermi pour en déduire qualitativement la dynamique des porteurs. 2

Connaissances conditionnelles: Quand • Distinguer les mécanismes générant la dynamique des porteurs (diffusion, dérive,

génération thermique ou optique) présents dans un dispositif. 1 • Distinguer les mécanismes de claquage en inverse d’une jonction p-n. 2 • Distinguer si une excitation optique peut ou non donner lieu à la photogénération. 1 • Utiliser des approximations pertinentes à un contexte et justifier.


Références

Révisions des connaissances antérieures « Microelectronic Circuits » par A. S. Sedra et K. C. Smith, 5e édition.

Section 3.7.1 • Révision des concepts de base touchant les matériaux semiconducteurs

Section 3.7.2 • Diode en circuit ouvert

Section 3.7.3 • Diode en polarisation inverse

Section 3.7.5 • Diode en polarisation directe

Pour le procédural et le laboratoire de la première semaine « Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits » par Chenming Calvin Hu, 2010.

Les chapitres se terminent par des résumés particulièrement utiles pour la révision.

Chapitre 1 • Bandes d’énergie, distinction entre matériaux isolant, semiconducteur et métal,

matériaux intrinsèques et extrinsèque • Concentration des porteurs • Temps de vie • Exemples : 1-1, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 1-7 • Problèmes : 1.2, 1.3, 1.6, 1.11 • Optionnel: exemple 1-2; problèmes 1.10 et 1.12

Chapitre 2 • Génération et recombinaison des porteurs excédentaires • Diffusion des porteurs • Diagramme d’énergie, tension et champ électrique • Exemples : 2-2, 2-3, 2-5, 2-6 • Problèmes : 2.1, 2.5, 2.7, 2.9


Pour le procédural et la validation de la solution de la deuxième semaine

« Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits » par Chenming Calvin Hu, 2010.

Sections 4.1 à 4.5 • Jonction p-n à l’équilibre, diffusion des porteurs majoritaires, porteurs excédentaires,

charge d’espace et zone de déplétion • Jonction p-n polarisée en inverse • Exemples : 4-1 • Problèmes : 4.2, 4.3, 4.5

Section 4.6 à 4.8 • Jonction p-n polarisée en direct • Problèmes : 4.6, 4.8

Section 4.9 • Caractéristique IV de la jonction p-n • Problèmes : 4.12

Section 4.12 et 4.15

• Cellule solaire et photodiodes

Section 4.16-4.21 • Jonction métal-semiconducteur • Diode Schottky • Courant tunnel et thermoionique • Problèmes : 4.19, 4.23

Lectures complémentaires « Solid state electronic devices » par Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee, 5e édition. Chapitre 1 et 2 ~42 pages Sections 5.1 ~15 pages Sections 5.5 ~17 pages Sections 5.7 et 5.8 ~13 pages

« Semiconductor devices : an introduction » par Jasprit Singh. Chapitre 2 (~38 pages), 3 (~46 pages) et 5 (~65 pages)


Activités liées à la problématique

Première semaine: • Première rencontre de tutorat

• Formation à la pratique procédurale

• Formation aux outils de simulation (groupe collaboratif de 2)

• Rencontre facultative de collaboration à la solution de la problématique

Deuxième semaine: • Formation à la pratique procédurale

• Validation de la solution à la problématique (groupe collaboratif de 2)

• Deuxième rencontre de tutorat

• Évaluation formative et rétroaction

• Consultation facultative

• Évaluation sommative

• Remise du rapport d'APP

Productions attendues

Première semaine: Vous devriez toutefois, à la fin de la semaine, être en mesure d’utiliser l’outil de simulation pour obtenir les diverses propriétés d’une jonction p-n et être en mesure d’interpréter les diverses courbes et graphiques.

Deuxième semaine: • Rapport d'APP : voir en page 15 du présent document pour les consignes.

- Remise électronique en format PDF à la fin de la journée de l’évaluation sommative.

- En couverture la grille d’évaluation du rapport (dernière page du guide)

Évaluation sommative individuelle: • Durée: 3 heures.

• Toute documentation et calculatrice autorisées.


Formation à la pratique procédurale (1ère semaine)

Problème 1 Quels est le type de dopage obtenu dans du silicium si vous utilisez les éléments suivants :

• P

• S

• Al

• B

• As

• Au Peut-on déduire le type de dopant à partir de sa position dans le tableau périodique des éléments?

Problème 2 Quelle est la résistance à 100ºC (~400K) d’un barreau de GaAs de 10mm de longueur et de 1mm2 de section si la concentration de dopant de type n est de 1016cm-3 ?

Si le dopant avait été de type p, la résistance du barreau serait-elle plus faible ou plus grande ? Par quel facteur ?

Problème 3 On applique une tension de 50V entre deux électrodes distantes de 1mm placées sur un barreau de Si. Quel est le temps de transit moyen des électrons entre les électrodes ?

Quel serait ce temps de transit la distance entre les électrodes était de 1µm ?

Problème 4 À température ambiante, où se trouve le niveau de Fermi par rapport à sa position intrinsèque (Ei) si le silicium est dopé n à 1016cm-3 ?

Où se trouverait-il si le dopant était de type p ?


Problème 5 Un échantillon de GaAs de 460nm d’épaisseur est exposé à une lumière monochromatique de 2eV à une puissance de 10mW. Le coefficient d’absorption (α) du GaAs à cette longueur d’onde est de 5×104cm-1.

• Combien de puissance est absorbée par l’échantillon.

• Illustrez le mécanisme d’absorption, de relaxation non radiative et de recombinaison radiative sur un diagramme de bande.

• Combien de paires électron-trou sont créées par seconde.

• Quelle est la puissance thermique absorbée.

• Combien de photons sont émis par second par recombinaison radiative.

Problème 6 1019 PET/cm3·s sont créées par une source lumineuse dans un échantillon de Si dont no=1014cm-3 et τn= τp=2µs. Calculez la densité de porteurs en excès en régime stationnaire.

Indiquez si ce sont les porteurs majoritaires ou minoritaires qui subiront le plus grand changement de densité.

Calculez la position des quasi-niveaux de Fermi et illustrez sur un diagramme de bande.

Calculez le changement de conductivité de l’échantillon.

Problème 7 On réalise l’expérience de Haynes-Shockley avec un échantillon de Ge de type n. La longueur de l’échantillon est de 1cm et les sondes 1 et 2 sont situées à 9.5mm de distance. L’échantillon est polarisé à ses extrémités par une tension de 2V. Une impulsion est émise au temps 0 au point 1 et arrive 0.25ms après au point 2. La largeur du pulse est de 117µs.

Calculez la mobilité et le coefficient de diffusion des porteurs minoritaires.

(Voir illustration du livre)


Formation aux outils de simulation (1ère semaine)

L’objectif de cette formation est de se familiariser avec le logiciel Taurus-Medici et sa documentation ainsi qu’avec les scripts servant aux simulations et l’analyse des résultats sous forme graphique ou autre.

Déroulement : • Connexion au réseau et chargement des variables environnementales nécessaires

• Étude sommaire des scripts simulant une diode : - Script contenant les définitions de paramètres structuraux et de calcul

- Script de « construction » de la structure étudiée

- Script de base pour le calcul des courbes I-V

• Lancement d’une simulation et analyse des résultats : - Résultats textuels donnant l’état du calcul

- Résultats graphiques, utilisation du logiciel de visualisation Taurus-Visual

• Modification du script : - Modification des paramètres structuraux

- Modification des paramètres de calcul

Documents techniques

Les documents techniques sont disponibles en ligne sur le site de la session :

• Guide pour la connexion et l’utilisation du logiciel de simulation Taurus-Medici

• Documentation sur les scripts de calcul

• Documentation du logiciel de simulation Taurus-Medici de Synopsys


Formation à la pratique procédurale (2e semaine)

Problème 1 On forme une jonction p-n abrupte pour laquelle Na=1017cm-3 et Nd=1017cm-3.

Trouvez la position du niveau de Fermi loin de la jonction du côté n et du côté p.

Tracez le profil de bande de la jonction et obtenez le potentiel de contact ϕbi.

Problème 2 On forme une jonction p-n abrupte de 2×10-3cm2 de section par implantation de bore dans une matrice de type n (Na=4×1018cm-3 et Nd=1016cm-3).

Calculez le potentiel de contact (ϕbi), la largeur de la zone de déplétion du côté n (xno), du côté p (xpo), la charge d’espace positive (Q+), la capacité statique de la jonction et le champ électrique maximal (Eo).

Problème 3 Calculez le courant pour une polarisation directe de 0.5V traversant une jonction p-n en Si de 10-3cm2 de section dont le côté donneur est dopée à 5×1016cm-3. Considérez τp=1µs et Dp=10cm2/s.

Dessinez qualitativement le profil de bande de la jonction et y illustrant les quasi-niveaux de Fermi.

Problème 4 Une diode p+-n en Si (ϕbi =0.956V) a une région n de 1µm de largeur dopée à 1017cm-3.

Quel est le mécanisme de claquage en inverse de cette diode?

Problème 5 Tracez la courbe I-V d’une jonction p-n dans le noir et sous éclairement (énergie supérieure au gap).

Décrivez le point d’opération sous éclairement si la jonction est placée :

• dans un circuit de faible impédance.

• dans un circuit de forte impédance. À quelle configuration correspond la pile solaire?


Validation de la solution à la problématique (2e semaine)

Chaque équipe d’APP devra procéder à la simulation de la photodiode avalanche qu’il aura conçu à l’aide du logiciel Taurus-Medici.

1) Modifier le script pour tenir compte de votre estimation de la structure du dispositif

a) Les régions de dopage (taille, densité et type de dopants)

b) La grille de calcul initiale (est-elle bien adaptée au dispositif?)

c) L’excitation optique (la longueur d’onde, la densité surfacique, la profondeur de pénétration)

• Assurez-vous de ne pas faire calculer les courbes I-V à cette étape pour sauver du temps

• Observer l’effet des différents paramètres sur la forme/taille de la zone de déplétion

Les simulations suivantes devront être effectuées :

2) La courbe I-V de la photodiode sans excitation optique

a) Le profil de bande à faible polarisation inverse (ex. -.5V)

b) La valeur de la tension d’avalanche et le choix du point d’opération

• Limitez le calcul à la tension d’opération désirée (voir paramètres du la courbe I-V)

3) La courbe I-V de la photodiode avec excitation optique

a) Le photocourant (I_photo – I_dark) en fonction de la tension de polarisation

b) Le gain en régime d’avalanche (photocourant/photocourant à faible polarisation)

• Utilisez les .ivl obtenus en mode « non SEARCH ». Pour faire ces analyses, vous devez noter les valeurs ou les exporter (dans TV2D, choisir DATA, SPREADSHEET, choisir la table désirée, choisir FILE, EXPORT, To TWB. Utilisez Excel en importation texte).

4) L’étude au point d’opération

a) Les courbes d’isopotentiel

b) Les courbes d’isogénération avalanche


Consignes pour le rapport d'APP (2e semaine) Un rapport d’APP de moins de 9 pages doit être présenté par équipe de 2 personnes.

Il doit contenir les éléments suivants:

• Grille d’évaluation du rapport d’APP. 1 p.

• Une demi-page de sommaire démontrant le respect des spécifications requises par le client et résumant les propriétés du dispositif, dont notamment : ½ p.

- La tension de claquage, le point d’opération recommandé, l’efficacité quantique du dispositif (nombre de photons incidents par seconde / flux de porteurs), la sensibilité (variation du courant / densité de puissance incidente)

• Une demi-page résumant et expliquant les principales différences observées entre votre estimation et la simulation, notamment : ½ p.

- La tension de claquage, la zone de déplétion, le courant de saturation

• La justification du choix de dispositif et du matériau ½ p. - Notez que 4 des spécifications requises peuvent être évoquées. Répondez

par exemple aux questions suivantes : Pourquoi ne pas utiliser du GaAs dont la mobilité électronique est plus grande? Pourquoi recourir au mécanisme d’avalanche?

• Le détail de votre estimation « avant simulation » de la géométrie, de la sensibilité, du photocourant du dispositif 1 p.

- Expliquez votre démarche par de courts énoncés et donnez les équations utilisées

• Les graphiques suivants dont vous décrirez brièvement les éléments significatifs : - La structure du dispositif montrant les régions de dopage, la zone de

déplétion et la localisation de l’excitation optique 1 p. - Les courbe I-V sans et avec excitation optique indiquant le point

d’opération 1 p. - Le photocourant en fonction de la tension de polarisation 1 p. - Le gain en régime d’avalanche en fonction de la tension de polarisation 1 p. - Au point d’opération :

Les courbes d’isopotentiel 1 p. Les courbes d’isogénération avalanche 1 p.


Grille d’évaluation du rapport d’APP


GMB 720

Sommaire et respect des spécifications requises / 20

Résumé et justification des différences observées entre estimation et simulation / 10

Justification du choix de dispositif et matériaux / 10

Détail de l’estimation « avant simulation » / 20

Graphiques et leur description :

Structure du dispositif et excitation optique / 5

Courbe I-V sans excitation optique et point d’opération / 5

Photocourant en fonction de la tension de polarisation / 5

Gain en régime d’avalanche / 5

Courbes d’isopotentiel et champs électrique / 5

Courbes d’isogénération avalanche / 5

Vitesse et temps de transit des porteurs / 5

Qualité de la langue et clarté du rapport / 5 Total / 100 T… P… Nom : CIP :

T… P… Nom : CIP : Commentaires du correcteur :

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Département de génie électrique

et de génie informatique

Session 7 – Électrique

Microélectronique et bio-ingénierie

(Photonique et capteurs)

La conception d’un transistor MOS

Guide de l’étudiant

Unité 2

Hiver 2012

2 S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc

Note : En vue d’alléger le texte, le masculin est utilisé pour désigner les femmes et les hommes.

Document : S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc

Version 3, 3 février 2012

Copyright 2012, Département de génie électrique et de génie informatique, Université de Sherbrooke

L’Université se réserve le droit de modifier ses règlements et programme sans préavis.

S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 3

Table des matières

Compétences terminales de la session S6 visées par l'unité ........................................................... 4

Compétences scientifiques et techniques propres au génie électrique ............................................................................. 4

Compétences interpersonnelles ........................................................................................................................................ 4

Compétences intrapersonnelles ........................................................................................................................................ 4

Énoncé de la problématique ............................................................................................................... 5

Connaissances nouvelles à acquérir par la résolution de cette problématique ............................ 6

Références essentielles à consulter .................................................................................................... 7

Pour le procédural et le laboratoire de la première semaine ..................................................................................... 7

Pour le procédural et la validation de la solution de la deuxième semaine ................................................................ 8

Lectures complémentaires ........................................................................................................................................... 8

Productions attendues ........................................................................................................................ 9

Première semaine: ...................................................................................................................................................... 9

Deuxième semaine: ..................................................................................................................................................... 9

Évaluation sommative individuelle: ............................................................................................................................ 9

Formation à la pratique procédurale (1ère

semaine) ..................................................................... 10

Formation aux outils de simulation (1ère

semaine) ........................................................................ 11

Documents d'accompagnement de la problématique .................................................................... 11

Formation à la pratique procédurale (2e semaine) ....................................................................... 12

Validation de la solution à la problématique (2e semaine) ........................................................... 14

Consignes pour le rapport d'APP (2e semaine) .............................................................................. 15

Grille d’évaluation du rapport d’APP ............................................................................................ 17


Compétences terminales de la session S6

visées par l'unité

Compétences scientifiques et techniques propres au génie électrique

Appliquer les diverses étapes du processus de résolution de problèmes à des problèmes propres au

génie électrique dans les domaines de la micro/opto-électronique, notamment:

a) Analyser des dispositifs micro/opto-électroniques pour comprendre et déterminer leurs

caractéristiques d’opération;

b) Élaborer la configuration d’un dispositif micro/opto-électronique relativement aux matériaux

semi-conducteurs et aux composants de base pour rencontrer des spécifications d’opération

données.

Compétences interpersonnelles

a) Communiquer, en français, oralement et par écrit en utilisant le support approprié au moment

requis.

b) Comprendre, structurer et exploiter l'information.

Compétences intrapersonnelles

a) Exercer des capacités d'analyse, d'abstraction et de synthèse.

b) S'acquitter de ses obligations et de ses responsabilités avec professionnalisme

c) S'auto-évaluer, c'est-à-dire, prendre du recul, évaluer l'état de la situation, évaluer ses propres

limites, son besoin de formation et prendre les mesures qui s'imposent.


Énoncé de la problématique

La conception d’un transistor MOSFET

Vous obtenez le mandat de concevoir un transistor NMOS respectant le cahier de charges suivant :

Spécifications

1. Transistor à enrichissement dont la tension de seuil se situe à 0.5 ± 0.1 V.

2. Sera utilisé en électronique numérique avec VDD=2 V.

3. Le courant IDSAT maximal devrait être de près de 1 mA.

4. La transconductance gm devrait être d’environ 1 mS et le gain maximal supérieur à 5.

5. Les effets de canal courts et de couplage au corps du transistor (body effect) devraient être

minimisés.

6. La technologie disponible qualifiée de 200nm est basée sur une grille de polysilicium N+ et

un oxyde de silicium possédant une densité de charges surfacique provenant d’états

d’interface Qit=3×1011

cm-2

, de charges fixes Qf=2×1011

cm-2

, et de charges mobiles

Qm=1×1010

cm-2

Vous savez que l’optimisation de ce dispositif est hautement non linéaire où il faudra ajuster la

longueur et la largeur de grille, l’épaisseur d’oxyde, le dopage du substrat, etc. Votre intuition vous

amène à penser que les effets de saturation de la vitesse des porteurs devraient entre autre apparaître

dus au fort champ électrique anticipé. Les effets de canal court augmentant la transconductance gds

devront être contrôlés. Le recourt à la technique de dopage rétrograde du canal et de drain peu

profond devrait être considéré.

Vous procédez d’abord à une estimation grossière du dispositif :

En déduisant de la tension de seuil pour la formation du canal de conduction les

caractéristiques du condensateur MOS formé par la grille et le substrat;

En estimant la taille du canal (longueur et largeur) à partir du courant spécifié et de la

transconductance gm.

Il faudra toutefois poser certaines hypothèses en ce qui a trait à la mobilité électronique dans le canal

de conduction et à la densité de charge présente dans l’oxyde de grille.

Vous procédez ensuite à l’ajustement du design réalisé précédemment à l’aide des techniques

connues pour contrôler les effets de canal court et de couplage par corps du transistor.

Pour simuler le dispositif, vous utiliserez le logiciel Taurus-Medici de Synopsys que votre

employeur met à votre disposition. Vous obtenez également un script d’un collègue ayant travaillé

au design d’un transistor MOS semblable autrefois. Vous devez ainsi reproduire les résultats et les

analyser afin d’identifier le type de transistor en cause et de mieux situer le travail à faire. La

géométrie du dispositif et les scripts sont décrits en annexe.


Connaissances nouvelles à acquérir

par la résolution de cette problématique

Connaissances déclaratives: Quoi Effet de potentiel électrostatique sur les bandes d’énergie.

Barrière de potentiel et potentiel de contact d’une jonction métal-semiconducteur.

Courant thermoïonique

Courant tunnel

Zone d’accumulation, de déplétion et d’inversion.

Nomenclature des transistors JFET, MESFET, HEMT, MISFET, MOSFET,

PMOS, NMOS et systèmes CMOS.

Capacité statique d’un condensateur MOS.

Modes d’opération en appauvrissement ou en enrichissement du MOSFET

Effets de canal court

Fuites au substrat, à la grille

Connaissances procédurales: Comment Établir le profil de bande d’une jonction métal-semiconducteur

Calculer la taille de la zone de déplétion d’un condensateur MOS

Calculer et ajuster la tension de seuil d’un MOSFET

Dimensionner un MOSFET en fonction de spécifications

Identifier les effets de canal

Savoir interpréter les diagrammes représentants le champ électrique, le potentiel

électrostatique.

Savoir interpréter les diagrammes représentants le profil de bande d’un dispositif

et le niveau de Fermi et les pseudo-niveaux de Fermi.

Connaissances conditionnelles: Quand Identifier les mécanismes modifiant la barrière de potentiel et la courbure de

bande d’une jonction métal-semiconducteur.

Identifier les mécanismes modifiant la barrière de potentiel et la courbure de

bande d’un condensateur MOS.

Distinguer les transistors JFET, MESFET, HEMT, MISFET, MOSFET, PMOS,

NMOS par leurs principales caractéristiques.

Identifier les mécanismes intervenants dans les MOSFETs à canal court.

Utiliser des approximations pertinentes à un contexte et justifier.


Références essentielles à consulter

Pour le procédural et le laboratoire de la première semaine


Les chapitres se terminent par des résumés particulièrement utiles pour la révision.

Section 4.16 à 4.20 (partie III du chapitre 4)

Jonctions métal-semiconducteur

Courant thermoïonique et tunnel

Diode Schottky

Contacts ohmiques

Problèmes : 4.17, 4.18, 4.24

Sections 5.1 à 5.5

Condensateur MOS

Régimes d’accumulation, de déplétion et

d’inversion

Problèmes : 5.1, 5.3, 5.5, 5.9, 5.11

Sections 5.6 à 5.9

Caractéristique capacité-tension (C-V) du

condensateur MOS

Charges d’oxyde

Épaisseur effective de l’oxyde

Problèmes : 5.15, 5.20

Section 6.3

Mobilité des porteurs à l’interface Si/SiO2

Transistors MESFET et HEMT

Transistor JFET

Section 6.4

Tension de seuil du MOSFET

Couplage par le corps (body effect)


Section 6.5 et 6.6

Description de l’inversion le long du canal

Caractéristique IV de base du MOSFET (long)



Pour le procédural et la validation de la solution de la deuxième semaine


Section 6.8 et 6.9

Saturation de la vitesse des porteurs

Caractéristique IV avec saturation de la vitesse

Lien avec la saturation du courant Ids

Problème : 6.19, 6.23, 6.24

Section 6.13 et 6.14

Conductance de sortie et gain

Comportement à haute fréquence

Section 7.2 et 7.4

Courant Ioff

Fuite par la grille

Diélectrique « high-k »

Problèmes : 7.1, 7.2, 7.3

Section 7.3 et 7.9

Effets de canal court

Réduction de Vt par la tension de drain

Section 7.5 et 7.6

Réduction de la zone de déplétion sous le canal

Considérations sur les jonctions drain/source

Lectures complémentaires

Sections 6.7

Technologie CMOS

Sections 7.1, 7.7 et 7.8

Sections sur l’évolution technologique du MOSFET

Sections 5.10 et 6.16

Capteur CCD et mémoire


Productions attendues

Première semaine:

Aucune.

Vous devriez toutefois, à la fin de la semaine, être en mesure d’utiliser l’outil de simulation pour

obtenir les diverses propriétés du transistor PMOS et être en mesure d’interpréter les diverses

courbes et graphiques, notamment en ce qui a trait au régime d’opération du canal.

Deuxième semaine:

Rapport d'APP

- Voir en page 15 du présent document pour les consignes.

- À remettre à la fin de l’évaluation sommative.

Évaluation sommative individuelle:

Durée: 3 heures.

Toute documentation et calculatrice autorisées.


Formation à la pratique procédurale

(1ère

semaine)

Problème 1

Une jonction métal-semiconducteur est réalisée à partir d’un métal ayant un travail de sortie

de 4.4 eV et du silicium de type n (Nd=1015

cm-3

) dont l’affinité électronique est 4 eV.

Cette jonction aura-t-elle un comportement redresseur?

Problème 2

Une jonction métal-semiconducteur est réalisée à partir d’un métal ayant un travail de sortie

de 5.4 eV et du silicium de type p (NA=1017

cm-3

) dont l’affinité électronique est 4 eV.

Cette jonction aura-t-elle un comportement redresseur?

Problème 3

Les figures 5-5, 5-6, 5-7 et 5-9 représentent un condensateur MOS réalisé à partir d’un

matériau de type p. Reprenez la même figure pour un semiconducteur de type n.

Reprendre les figures du problème 5.3 pour un MOS sur type p.

Problème 4

Calculez la tension de bandes planes d’un condensateur MOS ayant 1010

cm-2

charges

d’oxyde. Considérez Vfbo=Ψg-Ψs=0.95 V, Na=1016

cm-3

et 10 nm d’oxyde.

Calculez la tension de seuil dans le même contexte.

Problème 5

Le besoin de faire baisser la tension de seuil a pour conséquence d’augmenter l’effet de

couplage au corps.

Quel est l’effet de la baisse de la tension de seuil sur la taille de la zone de déplétion sous le

canal? Quel est l’effet sur le couplage au corps?

Comment contrôler/limiter cet effet?


Formation aux outils de simulation

(1ère

semaine)

L’objectif de cette formation est de se familiariser avec le logiciel Taurus-Medici et sa

documentation ainsi qu’avec les scripts servant aux simulations et l’analyse des résultats sous forme

graphique ou autre.

Déroulement :

Connexion au réseau et chargement des variables environnementales nécessaires

Étude sommaire des scripts simulant un transistor MOS :

- Script contenant les définitions de paramètres structuraux et de calcul

- Script de « construction » de la structure étudiée

- Script de base pour le calcul des courbes caractéristiques

Lancement d’une simulation et analyse des résultats :

- Résultats textuels donnant l’état du calcul

- Résultats graphique

Modification du script :

- Modification des paramètres structuraux

- Modification des paramètres de calcul

Documents d'accompagnement de la

problématique

Tous ces documents sont également disponibles en ligne (commande tcaddoc) :

Guide pour la connexion et l’utilisation du logiciel de simulation Taurus-Medici

Documentation sur les scripts de calcul

Documentation du logiciel de simulation Taurus-Medici de Synopsys


Formation à la pratique procédurale

(2e semaine)

Problème 1

Soit la figure 5-42, Identifiez les régions d’accumulation, de déplétion et d’inversion ainsi

que la tension de seuil et la tension de bande plane. Quel est le type de substrat ?

Calculez Tox en considérant une surface de 4.75×10-3

cm2 et une capacité Co de 82pF.

Quelles est la concentration de dopants du substrat ? Considérez un dopage uniforme.

Quelle est la charge contenue dans l’oxyde (en coulomb et en densité surfacique de dopant).

Considérez que la grille est de type p+.

Problème 2

Calculez la tension de seuil d’un transistor NMOS à grille de polysilicium dont l’oxyde fait

10 nm d’épaisseur. Considérez Na=1018

cm-3

et des charges fixes dans l’oxyde de

5×1010

cm-2

.

On doit réduire de 1V la tension de seuil de ce NMOS par implantation en surface. Calculez

le type et la dose d’implantation nécessaire.

La grille fait 2 µm de longueur par 50 µm de largeur. Considérant une mobilité électronique

dans le canal de 200 cm2/V·s, calculez le courrant de drain :

o Pour VG=5 V et VD=0.1 V.

o Pour VG=3 V et VD=5 V.

Problème 3

Un « transistor de champ » est un composant parasite formé d’une ligne d’interconnexion

posé sur l’oxyde de champ et du substrat fortement dopé. Considérant une épaisseur d’oxyde

de champ de 0.3µm et un dopage Na de 5×1017

cm-3

, quelle est la tension de seuil?

Est-ce que la tension Vdd=2V du circuit peut ouvrir ce transistor parasite? Sinon, quel est le

taux de croissance du courant sous la tension de seuil (subthreshold swing, S)?

Quel est le courant maximal qui peut circuler dans ce composant si W=10µm et L=0.3µm?


Problème 4

Considérez deux transistors dont la capacité de grille est identique mais qui sont formés à

partir de substrats dopés à 1016

et 4×1016

cm-3

. Lequel de ces transistor est moins sensible à la

polarisation du substrat?

Lequel de ces transistors devrait avoir la plus grande transconductance?

Problème 5

Quel est le critère pour déterminer si un transistor est à canal court?

La saturation de la vitesse des porteurs permet-elle d’expliquer la non saturation du courant

dans les composants à canal court?

Qu’est-ce qui cause l’impédance de sortie (gds)?

Problème 6

Obtenez l’expression de la transconductance gm en présence de saturation de la vitesse.

Comparez au transistor à canal long. Identifiez une faiblesse et un avantage.


Validation de la solution à la problématique

(2e semaine)

Chaque équipe d’APP devra procéder à la simulation du transistor qu’il aura conçu à l’aide du

logiciel Taurus-Medici.

Les simulations suivantes devront être effectuées :

1) La structure du dispositif

a) Les contacts, la grille, le canal, etc.

b) La région de drain/source faiblement dopé

c) Le dopage d’ajustement de la tension de seuil ou le dopage rétrograde

2) Les courbes caractéristiques du transistor

a) La courbe ID-VGS pour différentes valeurs de VBS et en tirer la tension de seuil

b) La courbe ID-VDS pour différentes valeurs de VGS

c) La courbe IG-VDS pour différentes valeurs de VGS

3) L’étude au point d’opération

a) La densité électronique montrant le canal de conduction et son pincement

b) Le profil de bande d’une coupe transversale du canal de conduction

c) Les courbes d’isogénération avalanche

d) La vitesse des porteurs pour en déduire le temps de transit dans le canal de conduction


Consignes pour le rapport d'APP (2e semaine)

Un rapport d’APP d’au plus 14 pages doit être présenté par équipe de 2 personnes.

Il doit contenir les éléments suivants:

Grille de correction (p. 15) en guise de couverture identifiant clairement chacun

des auteurs, leurs matricules et leurs groupes T et P 1 p.

Un tableau démontrant le respect des spécifications requises et donnant les

caractéristiques principales du transistor. ½ p.

Requis Obtenu

Dimensions du transistor

Tension de seuil

Idsat à Vgs=Vdd (A et A/µm)

Courant de fuite Ioff (A et A/µm) S/O

S (subthreshold swing) *

Transconductance gm (mS et mS/µm)

Impédance de sortie (gds) (mS et mS/µm)

Gain maximal

Fréquence maximale S/O

Coefficient de couplage au corps (α) *

Paramètre de réduction de VT (roll-off, ld) *

* ces paramètres doivent être estimés sur une base théorique.

Paragraphe décrivant le dispositif initial (nmos ou pmos, enrichissement ou

appauvrissement, canal court ou long), identifiant les problèmes de

fonctionnement qu’il présente et précisant les modifications à apporter afin

d’obtenir le transistor désiré. ½ p.

Le détail de votre estimation « avant simulation » du dispositif en soulignant les

étapes pertinentes à l’atteinte des spécifications : 2 p.

- Tension de seuil (en canal long)

- Limites de canal court et d’effet de Vds sur VT

- Dopage rétrograde

- Taille du dispositif


La synthèse des différences entre votre estimation et la simulation. Ce que vous

avez du ajuster pour répondre aux spécifications notamment en ce qui concernent

l’effet sur la tension de seuil des autres paramètres. 1 p.

Les graphiques suivants dont on décrira brièvement les éléments significatifs :

- La structure du dispositif, la région de drain/source, le dopage rétrograde 1 p.

- Les courbes caractéristiques du transistor 3 p.

Id-Vgs pour 3 valeurs de Vb

Id-Vds pour des valeurs significatives de Vgs

Id-Vds sous la tension de seuil

Ig-Vds (fuite de la grille) pour des valeurs significatives de Vgs

- L’étude du dispositif à courant maximal :

La densité électronique dans le canal de conduction et son pincement 1 p.

Le profil de bande d’une coupe transversale du canal de conduction 1 p.

Les courbes d’isogénération avalanche 1 p.


Grille d’évaluation du rapport d’APP

La conception d’un transistor MOS GEI 769

Sommaire et respect des spécifications requises / 25

Description du dispositif initial et modifications nécessaires / 10

Détail de l’estimation « avant simulation » / 20

Synthèse des différences entre estimation et simulation / 10

Graphiques et leur description :

La structure du dispositif / 3

Les courbes caractéristiques du transistor / 16

La densité électronique montrant le canal de conduction et son pincement / 4

Le profil de bande d’une coupe transversale du canal de conduction / 4

Les courbes d’isogénération avalanche / 3

Qualité de la langue et clarté du rapport / 5

Total / 100

T… P… Nom : Matricule :

T… P… Nom : Matricule :

Commentaires du correcteur :