du transistor bipolaire si au transistor bipolaire à...

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Chapitre I

Du Transistor Bipolaire Si au Transistor Bipolaire à

Hétérojonction Si/SiGe

Chapitre I : Du transistor bipolaire Si au transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe

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1 Introduction

Ce chapitre a pour objet la présentation d'une des deux grandes familles de transistors :

le transistor bipolaire. Depuis sa première réalisation en 1947 par J. Bardeen et W. H. Brattain et le

développement théorique et physique de son fonctionnement par W. B. Shockley, le transistor

bipolaire à homojonction (BJT) a énormément évolué et présente aujourd'hui de très bonnes

performances : une transconductance élevée, la possibilité d'avoir de fortes densités de courants et un

bruit en 1/f minimisé grâce à une structure verticale réduisant les effets d'interface. Cette dernière

caractéristique permet aux composants de présenter de très faible niveaux de bruit en excès et par voie

de conséquence un faible bruit de phase pour les oscillateurs.

Cependant, les limitations fréquentielles du BJT [1] ont entraîné le développement de

transistors à hétérojonction (TBH) autorisé par de nombreux progrès technologiques. Suggérée par

Kroemer [2], l'introduction des hétérojonctions a permis une avancée considérable en terme de

fréquence de transition (fT) et de fréquence maximale d'oscillation (fMAX), mais également en terme de

gain et de facteur de bruit.

Les TBH utilisés pour les applications hyperfréquences sont réalisés soit sur substrat

d'Arséniure de Gallium, soit sur substrat de Phosphure d'Indium et plus récemment sur substrat

Silicium. Cette dernière technologie pour laquelle l'hétérojonction émetteur-base du composant est de

type Si/SiGe permet aujourd'hui de réaliser des transistors bipolaires ayant des fréquences fT et fMAX

largement supérieures à 100 GHz [3]. L'utilisation de ce type de transistor, notamment dans le

domaine des radiocommunications (900 MHz – 6 GHz), est en conséquence de plus en plus

privilégiée, d'autant plus que leurs performances en bruit basse fréquence et haute fréquence sont

sensiblement meilleures que celles de TBH III-V (ou IV-IV) et que le coût de la technologie SiGe est

la moins onéreuse du marché.

Dans ce travail, nous nous intéressons uniquement au transistor bipolaire sur substrat Silicium.

Nous examinons tout d'abord son fonctionnement d'un point de vue théorique et physique. Nous

abordons ensuite ses performances et ses limites justifiant ainsi l'utilisation de l'hétérojonction

Si/SiGe. Nous présentons l’impact de la couche SiGe sur les principaux facteurs de mérite du

dispositif. Enfin, nous terminons ce chapitre par une brève présentation des procédés de fabrication de

ces transistors, en particulier ceux qui vont nous intéresser tout au long de ce travail, c’est-à-dire les

TBH de la filière BICMOS6G 0.35µm de chez STMicroelectronics.


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2 Théorie du transistor bipolaire

2.1 Principe de fonctionnement [4, 5]

Le transistor bipolaire est un composant électronique vertical constitué de deux jonctions p-n

montées tête-bêche présentant une région commune. Il existe trois régions : un émetteur (E), une base

(B), un collecteur (C). Elles sont dopées respectivement n-p-n ou p-n-p. Dans le cadre de nos travaux,

nous nous sommes intéressés au transistor n-p-n, plus adapté aux applications micro-ondes en raison

d’une mobilité des porteurs minoritaires dans la base plus élevée.

Figure I.1 : Représentation simplifiée 1 D du transistor bipolaire n-p-n

Dans tout ce travail, nous distinguons les tensions internes VB’E’ et VB’C’, appliquées au niveau

des jonctions, des tensions externes VBE et VBC appliquées aux électrodes de contact. Cette distinction

apparaîtra dans les expressions mathématiques des courants du transistor.

A l’équilibre thermodynamique (où aucune tension de polarisation n’est appliquée), aucun

courant ne circule à travers les deux jonctions. Pour modifier cet état, des tensions VBE et VBC doivent

être appliquées au transistor.

On distingue 4 régimes de fonctionnement dépendant de la polarisation des jonctions :

• Le régime direct, appelé également le régime normal de fonctionnement. La jonction

émetteur-base (EB) est polarisée en direct (VBE > 0 V) et la jonction base-collecteur (BC)

est polarisée en inverse (VBC < 0 V) ;

• Le régime saturé, pour lequel les deux jonctions sont polarisées en direct ;

• Le régime bloqué, pour lequel les deux jonctions sont polarisées en inverse ;

• Le régime inverse, pour lequel les jonctions EB et BC sont polarisées respectivement

en inverse et en direct.

Em etteur

Type n+

Base

Type p

Collecteur

Type n

V EB V C B

ZCEEB

ZCEBC

IEIC


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Dans le cadre de nos travaux, nous nous sommes intéressés au régime normal de

fonctionnement et au régime inverse. En effet, l'étude du fonctionnement du transistor bipolaire dans

ces deux régimes est nécessaire à l'élaboration du modèle électrique pour la simulation de circuits.

Néanmoins, en raison du caractère similaire du fonctionnement du composant en direct et en inverse,

nous avons décrit dans ce chapitre uniquement le régime normal de fonctionnement (utilisé pour

mettre en évidence l'effet transistor). Nous avons représenté ci-dessous le diagramme de bande

classique d'un composant à l’équilibre thermodynamique et en régime de polarisation direct. Les

flèches représentent le sens de passage des électrons et des trous lors de la polarisation du transistor.

Figure I.2 : Diagramme de bandes d’un transistor bipolaire à l’équilibre (diagramme de gauche)

et en régime direct (diagramme de droite) EFE, EFB, EFC représentent le niveau de Fermi respectivement dans l’émetteur, la base et le

collecteur.

Le principe de l'effet transistor consiste à moduler le courant inverse de la jonction BC

polarisée en inverse par une injection de porteurs minoritaires dans la base à partir de la jonction EB

polarisée dans le sens direct. En effet, l'application d'une tension VBE positive a pour effet d'abaisser la

hauteur de barrière de potentiel pour les électrons à la jonction EB. Le champ électrique régnant dans

la zone de charge d'espace (ZCE) diminue, favorisant ainsi la diffusion des électrons de l'émetteur de

type n (porteurs majoritaires) dans la base de type p (porteurs minoritaires). Le bon fonctionnement

d'un transistor nécessite alors que ces électrons injectés en excès dans la base atteignent la jonction

BC. Il est donc impératif pour éviter la recombinaison des porteurs que leur durée de vie (τn) dans la

E G

Em etteur C ollecteur

E C

E V

Base

Ene

rgie

P rofondeur, x

Em etteur C ollecteur

E C

E V

Base

Ene

rgie

P rofondeur, x

t+

e-

- - -- -

--

+ +

+

+

+++++

+++

++ ++

-- -- -- -

--- ---

-- -

-

-

-

--

-

-

-

-qV C B

-qV B E

E FBE FE

E FC

E FE

E FBE FC

-


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région quasi-neutre de base soit sensiblement plus élevée que le temps de transit (τb), ou encore que

l'épaisseur de cette région soit très inférieure à la longueur de diffusion (Ln) des électrons.

Dans la mesure où la base est suffisamment étroite, une forte proportion d'électrons arrive à la

jonction BC polarisée en inverse. L'augmentation du champ électrique à cette jonction va happer les

porteurs. Ils rejoignent ainsi le collecteur de type n où ils retrouvent un statut de porteurs majoritaires

et font apparaître un courant IC au contact du collecteur.

Ceci est l’effet transistor : une faible variation de la tension VBE permet de commander un

courant important entre l’émetteur et le collecteur.

Dans les transistors bipolaires, le profil des dopages est souvent le même : l’émetteur est plus

dopé que la base, qui elle-même est plus dopée que le collecteur. Ce sont ces valeurs de dopage qui

influent fortement sur les grandeurs définies précédemment que sont la charge d’espace, le champ

électrique et la barrière de potentiel.

2.2 Le transistor bipolaire idéal

Nous qualifions d’idéal un transistor bipolaire ne présentant pas de défaut susceptible de

générer des courants « parasites » dans la structure. Il s’agit d’une idéalité technologique.

2.2.1 Les courants idéaux

Le courant de transfert ICT du transistor est le courant d’électrons traversant le transistor. Il

s’exprime sous la forme :

nCnECT III −= (I.1)

En régime direct, la composante InE correspond au courant d’électrons en excès injectés par

l’émetteur et InC correspond au courant inverse d’électrons de la jonction BC. Mais dans ce régime,

cette composante est négligeable.

En toute rigueur, pour exprimer le courant collecteur IC, il faut considérer le courant de trous à

la jonction BC IpC. Ce courant inverse est généralement négligeable.

L’expression du courant collecteur devient alors :

CTC II ≈ (I.2)

Le courant de base du transistor idéal s’exprime comme la somme des deux courants de

diffusion de trous : IpE pour la jonction EB et IpC pour la jonction BC.


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2.2.2 Les gains en courant du transistor idéal

Le montage du transistor bipolaire le plus souvent utilisé est le montage émetteur commun

(émetteur à un potentiel fixe). Par définition, le gain en courant en direct βF est le rapport entre le

courant de sortie IC et le courant d’entrée IB du transistor idéal :

B

CF I

I=β (I.3)

De la même manière, on définit le gain en courant en inverse βR comme le rapport entre le

courant de sortie IE et le courant d’entrée IB :

B

ER I

I=β (I.4)

2.3 Le transistor bipolaire réel

En réalité, plusieurs phénomènes physiques font que le transistor ne constitue pas une source

de courant contrôlée idéale. Il peut exister des défauts qui, associés à des phénomènes de

génération-recombinaison, font apparaître des composantes de courant supplémentaires. Certains

phénomènes physiques liés à la modulation de la largeur de la base neutre (effet Early) modifient

également l’idéalité du composant. L’architecture elle-même du transistor, par l’introduction de

résistances séries, éloigne les courants du comportement idéal.

Dans le cas du transistor bipolaire réel, le gain en courant statique direct est noté β.

2.3.1 Bilan des courants circulant dans le transistor

La figure I.3 ci-dessous montre la distribution des courants. L’idéal serait que seuls les

électrons injectés de l’émetteur dans la base constituent le courant d’émetteur et que tous ces électrons

soient collectés au niveau du collecteur.

Figure I.3 : Courants dans un transistor bipolaire en régime direct

IC

InE

IpE

B.InE M.B.InE

(M-1).B.InE

IpC

InC

ILCILE

I NB

R

IB

IE

Emetteur Base Collecteur


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Nous allons présenter les différentes composantes des courants du transistor :

Le courant d’émetteur IE est constitué de :

- Un courant d’électrons InE injectés de l’émetteur dans la base (composante du transistor idéal :

courant de diffusion) ;

- Un courant de trous IpE injectés de la base dans l’émetteur (composante du transistor idéal :

courant de diffusion) ;

- Eventuellement, un courant de fuite à la jonction EB, ILE, dont les origines physiques peuvent

être variables. Il peut s’agir soit de génération-recombinaison dans la ZCE EB, soit d’un effet

tunnel assisté par défauts entre les bandes de conduction et de valence (nous y reviendrons

ultérieurement).

Ces courants sont de même signe et sortent de l’émetteur :

LEpEnEE IIII ++= (I.5)

Le courant de collecteur IC est constitué de : - La composante principale du courant collecteur correspondant à la collection des électrons issus

de l’émetteur après leur transport dans la base (BInE) et multiplication éventuelle dans la jonction

base-collecteur (M.B.InE) ;

- Eventuellement, un courant de fuite de la jonction BC, ILC (dû à des défauts dans la ZCE base-

collecteur) ;

- Les composantes du courant inverse de la jonction BC (InC, IpC) qui correspondent au flux des

porteurs minoritaires à la jonction BC : elles sont généralement négligeables.

B représente le facteur de transport dans la base. Il est défini comme le rapport entre le courant

d'électrons sortant de la base et le courant d'électrons entrant dans la base.

nE

nCII

B = (I.6)

Le facteur de transport dans la base s’écrit en fonction des paramètres physiques et géométriques

du transistor :

2n

2B

L2

W1B −= (I.7)

WB est l’épaisseur de la base. Le transport dans la base est optimum (B très proche de 1) pour des

bases courtes (WB<<Ln).


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M est le facteur de multiplication des porteurs dans la jonction BC. Il est généralement associé à

un phénomène d’ionisation par impact dans la ZCE. Des tensions d'avalanches élevées permettent

d'obtenir un coefficient M proche de 1.

nC

CII

M = (I.8)

Finalement, le courant collecteur s’écrit :

)II(IMBII pCnCLEnEC +−−= (I.9)

Le courant de base IB est constitué de :

- Un courant de trous IpE injectés de la base dans l’émetteur ;

- Un courant de recombinaison en base neutre INBR = (1-B) InE fournissant les trous qui vont se

recombiner avec les électrons en excès circulant dans la base : ce courant est quasiment

inexistant dans les transistors à base fine silicium (B ≈1) ;

- Un courant de fuite ILE ;

- Un courant de trous (1-M)BInE correspondant à l’évacuation des trous lors de la création de

paires électron-trou par ionisation par impact dans la ZCE BC ;

- Un courant de trous ILC représentant la fuite de la jonction BC du côté de la base ;

- Le courant inverse de la jonction BC IpC.

pCnCnELCLENBRpEB IIBI)M1(IIIII ++−−+++= (I.10)

On retrouve bien la relation classique existant entre les trois courants du transistor :

CBE III += (I.11)

2.3.2 L'efficacité d'injection

Ce paramètre est fondamental dans l'étude du fonctionnement d'un transistor bipolaire car il

rend compte de l'injection des porteurs de l'émetteur dans la base. On définit l’efficacité d’injection de

la jonction EB comme étant le rapport entre le courant d’électrons injectés par l’émetteur dans la base

et le courant total d’émetteur :

LEpEnE

nE

E

nEIII

III

++==γ (I.12)

En négligeant les recombinaisons (ILE) on peut déterminer l'efficacité d'injection maximale

comme suit :


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nE

pEmax

II

1

1

+

=γ (I.13)

Pour le transistor bipolaire à homojonction classique (BJT), on obtient le rapport des courants

IpE/InE par l'expression suivante :

nBEDE

pEBAB

nE

pE

D.W.ND.W.N

II

= (I.14)

avec : NAB le dopage de base, NDE le dopage d'émetteur, WE et WB les profondeurs d'émetteur

et de base et DpE et DnE les coefficients de diffusion des trous dans l'émetteur et des électrons dans la

base.

Pour avoir une bonne efficacité d’injection (γ très proche de 1), il faut donc dans le cas du BJT

surdoper l’émetteur par rapport à la base et minimiser l’épaisseur de cette dernière. Nous verrons

qu'une hétérojonction de type Si/SiGe est particulièrement adaptée pour l'obtention d'une forte

efficacité d'injection.

2.3.3 Gain statique en courant du transistor réel

2.3.3.a Gain statique en courant du montage base commune

Le gain en courant du montage base commune α est défini comme le rapport entre le courant

collecteur et le courant d’émetteur :

γ⋅⋅=⋅⋅==α BMII

II

II

II

E

nE

nE

nC

nC

C

E

C (I.15)

2.3.3.b Gain statique en courant du montage émetteur commun β

α−α

=−

==β1II

III

CE

C

B

C (I.16)

Le gain β est d’autant plus grand que α est proche de 1 et donc que chacun des termes B, M et

γ sont proches de 1. β dépend donc bien des paramètres géométriques et physiques du transistor.

2.3.4 Les effets à faible polarisation

2.3.4.a Courant de recombinaison dans les zones de charge d’espace

On distingue les recombinaisons directes électron-trou et les recombinaisons assistées par

centres de recombinaisons. Le premier type correspond à la rencontre entre un électron et un trou qui

se recombinent. Le second fait intervenir des défauts qui peuvent être présents dans la ZCE en volume

comme en surface. Ces derniers piègent un électron (ou un trou) qui par attraction coulombienne

attirent un trou (ou un électron) provoquant la recombinaison des deux particules.


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On distingue ainsi deux types de centres. Si le défaut qui a capturé un électron (ou un trou) a une

plus grande probabilité de capturer ensuite un trou (ou un électron) que de réémettre cet électron

(ou ce trou) vers la bande de conduction (ou vers la bande de valence), il capture le trou (ou l’électron)

et provoque la recombinaison de la paire électron-trou. On parle de centre de recombinaison ou centre

recombinant.

En revanche, si le défaut qui a capturé un électron (ou un trou) a une plus grande probabilité

de réémettre cet électron (ou ce trou) vers la bande de conduction (ou vers la bande de valence), on

parle de piège à électron (ou à trou).

Dans le cas du transistor bipolaire, on parle préférentiellement de centres recombinants. Le

courant de génération-recombinaison associé (appelé classiquement IGR) est régi par la théorie de

Schockley-Read-Hall [6]. Il varie en exp(VB'E'/nVT) avec un coefficient d’idéalité n égal à 2.

2.3.4.b Courant tunnel

Quand on polarise une jonction en direct avec de forts niveaux de dopage utilisés dans les

dispositifs actuels (environ 1020 atomes/cm3 pour l’émetteur), les électrons passent à travers la

jonction directement, c’est-à-dire sans passer par la hauteur de barrière. Cette traversée s’effectue des

états occupés de la bande de conduction de la région n (ici l’émetteur) vers les états vides de la bande

de valence de la région p (ici la base). Ces électrons, arrivant dans une région où ils sont minoritaires,

vont se recombiner. En polarisation directe, ce phénomène est souvent assisté par des défauts

présents dans la ZCE. En revanche en polarisation inverse, l’effet tunnel peut se réaliser bande à

bande ; les bandes de conduction et de valence entre les deux régions de la jonction sont alors

alignées.

Ce courant tunnel est fonction du champ maximum régnant dans la jonction. Il dépend donc

de la tension appliquée à cette dernière. Ce n’est pas un processus activé thermiquement [7].

2.3.5 L’effet Early [8]

L’effet Early en direct désigne un phénomène lié à la modulation de la largeur de la base

neutre par variation de la frontière de la ZCE BC lorsque la tension entre l’émetteur et le collecteur

VCE (et donc VCB) varie. La base neutre correspond à la base moins les extensions des ZCE dans la

base. La largeur de cette dernière diminue lorsque la jonction BC est de plus en plus polarisée en

inverse parce que la zone de déplétion s’élargit. La ZCE BC va s’élargir principalement du côté

collecteur, car moins dopée que la base.


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Figure I.4 : Caractéristique de sortie d’un transistor bipolaire montrant

l’effet de la modulation de la largeur de base

Cet effet a une double conséquence :

- accroissement du courant collecteur car ce dernier est inversement proportionnel à la largeur

de la base ;

- réduction de la charge stockée dans la base et donc du temps de transit dans la base.

Cet effet est modélisé par une tension VAF positive (intersection sur l’axe des tensions des

caractéristiques de sortie extrapolées). Plus sa valeur sera élevée, moins cet effet se fera sentir.

AF

VCE

C

CCEAF V

VII

VV

BE

≈

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ

=+ (I.17)

La valeur de cette tension sera réduite par l’utilisation d’un dopage collecteur élevé ou d’une

base fine. En effet, pour une même modulation de ZCE, la modulation de la largeur de base est

beaucoup plus importante pour une base fine que pour une base large.

De la même manière, on définit la tension d’Early en inverse VAR traduisant la modulation de

la base neutre avec la variation de la ZCE EB due à la polarisation VBE .

En général, cette tension VAR est faible car l’émetteur est bien plus dopé que la base.

2.3.6 Le perçage de la base

Lorsqu’une forte polarisation est appliquée au transistor, la région de déplétion relative à la

jonction BC pénètre la base si profondément qu’elle atteint l’émetteur avant que le claquage par

avalanche ne se produise. L’émetteur et le collecteur sont alors connectés par une unique région de

déplétion où règne un champ électrique élevé. Un important courant passe directement de l’émetteur

au collecteur. L’effet transistor est ainsi complètement supprimé. Une base fine et peu dopée favorise

VAF VCE

IC

IB constant


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le perçage. Ce dernier devient alors le phénomène limitant la tension maximale applicable entre

l’émetteur et le collecteur.

2.3.7 Les limites de fonctionnement en tension : claquage des jonctions par

ionisation par impact

Le mécanisme d’ionisation par impact dans une jonction p-n limite les tensions maximales de

polarisation inverse qui peuvent être appliquées.

Ce mécanisme se traduit par une augmentation brutale du courant collecteur à partir d’une certaine

tension appliquée sur la jonction BC appelée tension de claquage BVCB0.

En fait, la tension inverse VBC va accroître le champ électrique qui règne dans la ZCE. Si ce

champ est suffisamment fort, les électrons traversant la ZCE acquièrent une énergie cinétique

suffisante pour pouvoir arracher un électron à un atome du réseau cristallin, créant ainsi une paire

électron-trou lors de la collision. On ionise par impact. Ceci va donc augmenter le nombre d’électrons

au collecteur. Le courant de base devient lui de plus en plus négatif.

Le facteur multiplicatif M, introduit dans le paragraphe 2.3.1, traduit cet accroissement du

courant collecteur.

2.3.8 Les effets à fort niveau de courant 2.3.8.a Effet Kirk [9]

Une forte injection d’électrons de l’émetteur dans la base entraîne une augmentation de la

densité de courant collecteur dépassant la valeur du dopage collecteur. Le champ électrique dans la

ZCE BC décroît. Or, c’est ce champ qui s’oppose à la diffusion des trous hors de la base. Le profil de

trous s’étend alors vers le collecteur créant une région quasi neutre, élargissant alors la base du

transistor. On parle souvent de « base push-out » ou plus couramment d’effet Kirk.

Cet élargissement de la base introduit une dégradation du gain en courant du transistor. Sa

fréquence de transition diminue également à cause d’un temps de transit dans la base augmenté.

Les profils des dopants doivent être optimisés pour minimiser cet effet.

2.3.8.b Effet Webster [10] Lorsque la polarisation à la jonction EB est très élevée, la concentration d’électrons injectés de

l’émetteur dans la base devient supérieure au dopage de la base. Pour assurer la neutralité électrique

des charges dans la base, la concentration des trous augmente également. Tout se passe comme si le

dopage de base était augmenté. Dans un transistor bipolaire à homojonction, le courant collecteur varie

alors en exp(qVB’E’/2kT) au lieu de exp(qVB’E’/kT), ce qui entraîne une forte diminution du gain.


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Dans les TBH, l’effet Webster est négligeable à cause d’un dopage de la base relativement

élevé.

2.3.9 Les résistances d’accès

La structure planaire des transistors intégrés impose un éloignement des contacts

métallurgiques de base et de collecteur (pris en surface) avec la base et le collecteur internes (au plus

près de la zone active). Les courants de base et de collecteur doivent alors traverser des zones semi-

conductrices dopées présentant une certaine résistivité.

Ces résistances d’accès dégradent les performances du transistor, puisque les tensions

appliquées aux jonctions sont plus faibles que celles appliquées aux contacts du transistor.

Nous allons décrire brièvement ces différentes résistances d’accès et les représenter

schématiquement sur la figure I.15.

La résistance collecteur : elle est considérée comme la somme des résistances séries :

- de la portion non désertée de la couche épitaxiée du collecteur sous la zone active du

transistor RC1,

- de la couche enterrée RC2 ,

- du puits collecteur sous le contact du collecteur RC3.

La résistance de base RBB’ se compose de deux parties :

- la résistance de base extrinsèque RBext qui représente la résistance entre le contact de base et

le bord du dispositif intrinsèque ;

- la résistance de base intrinsèque RBi qui représente la résistance définie sous la fenêtre

d’émetteur.

La résistance d’émetteur consiste essentiellement en résistance de contact métal-semi-conducteur

qui est en général très faible car l’émetteur est une région fine et très dopée. Cette résistance

n’influence pas de façon significative les performances du transistor.

Figure I.5 : Représentation schématique d’un transistor bipolaire avec les différentes résistances

associées

Base Em etteur Collecteur Substrat

R Bext

R Bi

RC1 RC2

RC3

RE


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2.4 Le fonctionnement dynamique du transistor bipolaire

Nous allons présenter dans ce paragraphe deux grandeurs révélatrices des performances

dynamiques du transistor bipolaire : la fréquence de transition et la fréquence maximale d’oscillation.

2.4.1 La fréquence de transition fT

Cette fréquence fT correspond à la fréquence pour laquelle le gain dynamique en courant H21

du transistor en configuration émetteur commun est égal à l’unité. L’évolution de ce gain en courant

en fonction de la fréquence est identique à celle d’un filtre passe-bas du 1er ordre, et fT est alors évalué

par une extrapolation de la pente à –20 dB par décade jusqu’à 0 dB.

Elle est reliée au temps de transit global τEC des porteurs entre les contacts émetteur et

collecteur par l’équation :

ECT 2

1fπτ

= (I.18)

où τEC traduit le temps nécessaire au transistor pour répondre à une variation de tension de

petite amplitude à ses bornes. Il est important de noter que plus ce temps est faible, plus la fréquence

de transition est élevée. Ceci est une qualité évidemment recherchée dans les dispositifs actuels.

τEC peut être décomposé de la manière suivante :

- Le temps de charge d’un circuit R-C parasite mettant en jeu les résistances séries émetteur RE et

collecteur RC avec la capacité CTC. Ce temps exprime le temps de réponse nécessaire pour que

les différences de potentiel appliquées entre les électrodes de contact du transistor parviennent

au dispositif intrinsèque ;

- Le temps de charge des capacités de jonction EB et BC par le courant de charge Ic ;

- Le temps de transit τF nécessaire pour évacuer les charges de porteurs libres vers l’électrode la

plus proche. Ce temps est fonction du mode de transport des porteurs libres. Il correspond à la

somme de plusieurs contributions :

BCBEBEF τ+τ+τ+τ=τ (I.19)

Avec :

τE temps de transit de l’émetteur. Il est lié à la présence d’une charge de trous en excès

injectés depuis la base. Cette charge est modulée par transit des porteurs. Dans les

transistors actuels qui utilisent un émetteur fin et très dopé, τE est très faible.

τEB associé à la charge des porteurs minoritaires en excès dans la ZCE EB. Ce terme est

généralement faible par rapport aux autres temps.


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τB associé à la charge des porteurs minoritaires en excès dans la base. Il est appelé temps de

transit dans la base. Un ordre de grandeur de ce temps est donné par :

nB

2B

B DWη

=τ (I.20)

où η est un coefficient qui rend compte du profil de dopant dans la base. Il vaut 2 pour une base

uniformément dopée. DnB est le coefficient de diffusion des électrons dans la base.

τBC temps de transit des porteurs dans la ZCE BC.

Le temps de transit global peut donc se calculer selon la relation :

TCCETCTEC

FEC C)RR()CC(qIkT

++++τ=τ (I.21)

Le temps de transit dans la base est un facteur limitant dans l’amélioration des performances

en fréquence. Il est bien entendu fonction de la largeur de la base ; plus celle-ci est faible, plus le

temps de transit sera faible. Pour des polarisations élevées, le temps de transit dans la base augmente

avec l’élargissement de la base dû principalement à l’effet Kirk.

Figure I.6 : Variation de la fréquence de transition en fonction du courant collecteur

2.4.2 La fréquence maximale d’oscillation fMAX Cette fréquence correspond à la fréquence pour laquelle le gain de Mason GMASON

(équation I.22) est égal à 1 [11].

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ℜ−⋅

−⋅

=

12

21

12

21

2

12

21

MASON

SS

SS

K

1SS

21

G (I.22)

fT

IC

Effets de fortes injections

Effets descapacités de

jonction


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où le facteur de Rollet K ou facteur de stabilité du quadripôle s’écrit :

2112

222

211

221122211

SS2SSSSSS1

K⋅⋅

−−⋅−⋅+= (I.23)

La fréquence maximale d’oscillation s’extrait de la même manière que la fréquence de

transition, par une extrapolation de la pente à –20 dB par décade jusqu’à 0 dB.

fMAX est reliée à fT et à des paramètres intrinsèques du transistor par la relation suivante :

TC'BB

Tmax CR8

ff

⋅⋅π= (I.24)

où CTC représente la capacité de transition ou jonction BC et RBB’ la résistance de base.

Une amélioration de fMAX peut être effectuée en réduisant la capacité BC (CTC) et la résistance

de base (RBB’). Pour diminuer la résistance de base, on pourra doper davantage cette base, mais pas

trop afin de ne pas détériorer l’efficacité d’injection.

3 Les limites du transistor bipolaire tout silicium

Suivant l'application envisagée, il est évident que certains facteurs de mérite doivent être

optimisés au détriment d'autres facteurs. En effet, pour la réalisation de sources de courants ou dans le

cas de circuits logiques, le gain en courant ou la tension d'Early doivent être privilégiés. En revanche,

la conception de circuits RF nécessite l'optimisation du triplet gain - résistance de base - fréquence de

transition. Les contraintes engendrées par l'optimisation des paramètres technologiques tels que les

niveaux de dopages ou les dimensions sont clairement mises en évidences dans le tableau ci-joint.


- 20 -

γ et/ou β τEC FT RBB’ Amélioration

Paramètres

technologiques

NDE ↑

Base fine

Base fine

NDC ↑

Base fine

NDC ↑

NAB ↑ nécessaire pour compenser

une base fine

Dégradation

Paramètres technologiques

NAB ↑ Base fine

Fmax VAF Courant tunnel Tensions de

claquage Amélioration

Paramètres

technologiques

NAB ↑ nécessaire pour compenser

une base fine NAB ↑

Dégradation

Paramètres technologiques

Base fine Base fine NDC ↑ Dopages ↑ Dopages ↑

Tableau I.1 : Compromis nécessaires à l’optimisation des performances du transistor

Nous avons vu précédemment qu’une bonne efficacité d’injection pouvait être obtenue en

surdopant la région d’émetteur et en choisissant une base courte. Or, si la base est trop fine, il y aura

une forte résistance d’accès amenant une dégradation de la fréquence maximale d’oscillation (malgré

l'augmentation de fT induite par la réduction du temps de transit global). Cet effet peut être atténué en

prenant une base très dopée. Cependant, si à la fois la base et l’émetteur sont fortement dopés, la ZCE

EB devient étroite et la capacité de jonction devient élevée, conduisant ainsi à une dégradation de la

fréquence de coupure du gain dynamique en courant. On peut alors augmenter le dopage du collecteur.

Cependant, l'augmentation des dopages va favoriser l'apparition de phénomènes indésirables tels que

les courants tunnels, les effets de fortes injections, ou l'abaissement des tensions de claquage.

Ces résultats montrent clairement les limites de la technologie à homojonction pour la

réalisation de composants micro-ondes.

Une solution pour contourner ce problème est d’utiliser dans la base un matériau à bande

interdite plus étroite. L’utilisation du germanium Ge a permis de réaliser le transistor bipolaire à

hétérojonction Si/SiGe (TBH SiGe).

4 Utilisation du Germanium Ge dans la base

Un des problèmes qui ont retardé le développement d’hétérojonction à base de silicium

concerne le fait qu’aucun matériau ne présente une maille cristalline compatible avec le silicium.


- 21 -

Aujourd’hui, les progrès technologiques autorisent la croissance d’alliage de matériau de mailles

cristallines et de bandes interdites différentes. Cette juxtaposition de couches se dénomme le

« band gap engineering ». On peut citer quelques nouvelles techniques de croissance comme l’épitaxie

par jet moléculaire (MBE : Molecular Beam Epitaxy) [12], le dépôt chimique en phase vapeur à très

basse pression (VLPCVD : Very Low Pressure Chemical Vapor Deposition) ou en ultra vide

(UHV-CVD : Ultra High Vacuum CVD) combiné aux procédés thermiques rapides.

Le silicium et le germanium sont tous deux des matériaux de structure cristalline de type

« diamant ». Ils sont totalement miscibles, ce qui permet d’obtenir une large gamme de composition de

l’alliage Si1-xGex.

Dans le cas d’un TBH SiGe, l’émetteur et le collecteur sont en silicium et la base est en

silicium-germanium avec un profil en germanium abrupt (pourcentage de Ge constant dans la base) ou

graduel [13, 14].

Le schéma ci-dessous (figure I-7) montre le diagramme de bandes d’un transistor BJT Si et

d’un TBH SiGe (10% de Ge dans la base). Les profils de dopants sont identiques et aucune

polarisation n’est appliquée.

Figure I-7 : Diagramme de bandes d’un transistor BJT Si (pointillés)

et d’un TBH SiGe (10% de Ge dans la base) (traits pleins)

Du côté de l’émetteur, la position de la bande de conduction par rapport au niveau de Fermi

est la même dans le TBH SiGe et le BJT. Du côté de la base, c’est la position de la bande de valence

par rapport au niveau de Fermi qui est sensiblement la même. En revanche, la bande interdite est plus

faible dans le TBH SiGe. Les électrons diffusants voient donc une barrière de potentiel plus faible

dans le TBH SiGe. Par contre, la barrière pour les trous est la même. On obtient par conséquent une

amélioration du gain en courant [15], puisque l’efficacité d’injection de la jonction EB augmente, et

cela pour des niveaux identiques de dopage au BJT (équation I.25 [16]) .

E G

E C

E V

E m e t t e u r C o l l e c t e u rB a s e

Ene

rgie

P r o f o n d e u r , x

E F

G S i G eE∆


- 22 -

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∆×∝βkT

Eexp

NN GSiGe

AB

DE (I.25)

où ∆EGSiGe est la différence des bandes interdites du Silicium et de la base SiGe.

La réalisation d’un TBH SiGe permet une plus grande liberté dans le choix des dopages de la

base et de l’émetteur. Le dopage de base peut être augmenté. La résistance de base est alors améliorée

par une base plus fine permettant une augmentation de la fréquence maximale d’oscillation et des

performances en bruit. En outre, un dopage de base élevé réduit le perçage de la base et repousse

l’effet Kirk à des polarisations plus élevées.

Prinz a montré de façon théorique que la tension d’Early directe VAFSiGe n’est améliorée par

rapport à VAFSi que par l’intermédiaire de la variation du taux de germanium le long de la base [17], le

meilleur profil étant le profil triangulaire. La tension d’Early est néanmoins améliorée par un dopage

de base plus élevé que dans la cas du BJT.

Au niveau des temps de transit dans le transistor, Kroemer a montré qu’une base SiGe avec

un profil de germanium uniforme n’a aucun effet sur le temps de transit dans la base [18]. Cependant,

il peut diminuer, grâce à la réduction possible de l’épaisseur de la base WB. En outre, le profil graduel

le diminue directement. En effet, avec un profil de germanium triangulaire, une réduction du temps de

transit dans la base d’un facteur deux par rapport à celui d’une base Si classique est observée.

Dans le cas d’un dopage uniforme, le temps de transit dans l’émetteur τE est donné par :

C

BE

DE

2i

EE

E IkT

qVexp

Nn

WqA21

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛

=τ (I.26)

où AE représente l’aire d’émetteur du transistor, ni est la concentration intrinsèque des porteurs.

Le courant de collecteur d’un TBH SiGe étant supérieur à celui d’un transistor bipolaire Si, le

temps de transit dans l’émetteur est inférieur pour un TBH SiGe.

Dans le cas d’un profil en germanium graduel (triangulaire ou trapézoïdal), l’efficacité

d’injection n’est que faiblement affectée. En revanche, le rétrécissement progressif du gap depuis la

jonction BE jusqu’à la jonction BC donne naissance à un champ accélérateur dans la base. On

améliore ainsi les performances fréquentielles du TBH en augmentant la vitesse des porteurs

traversant la base.

Le profil graduel idéal est de type trapézoïdal : un certain pourcentage de Ge à la jonction EB

augmente jusqu’à la jonction BC. On profite ainsi d’une meilleure efficacité d’injection et d’un

champ accélérateur [19, 20].


- 23 -

Figure I.8 : Profils de germanium dans la base

Finalement, le TBH SiGe offre trois avantages principaux par rapport aux BJT :

- Une réduction du temps de transit dans la base, d’où de meilleures performances en

fréquence. En effet, le dopage de la base peut être plus grand (environ 1019 atomes/cm3) et

la base moins large, la résistance de base sera alors minimisée et le temps de transit dans cette

dernière réduit ;

- Une augmentation de la densité de courant collecteur et du gain en courant ;

- Une augmentation de la tension d’Early directe à une fréquence de transition donnée. En

effet, elle augmente sensiblement avec le dopage de base.

5 Description de la filière des TBH SiGe étudiés

5.1 Introduction technologique

Les premiers TBH SiGe ont été fabriqués à partir de couches épitaxiées SiGe sur plaque

vierge et réalisés par MBE. Leurs réalisations [21] ont été développées dans les laboratoires de

recherche d’IBM. La gravure sélective (architecture « mesa ») était alors utilisée pour contacter les

différentes zones du transistor. Désormais, des techniques d’épitaxie CVD, plus adaptées à

l’intégration, sont souvent préférées en raison d’un débit plus important en terme de passage de

plaques.

Une grande variété d’architectures de TBH SiGe existe et chacune d’entre elles réalise des

compromis différents entre les performances en fréquence, la capacité à être intégré et la complexité

de fabrication.

Emetteur CollecteurBase

Triangulaire

Trapézoidale

UniformeP

ourc

enta

ge e

nG

e (%

)

Profondeur


- 24 -

L’étape la plus importante dans la réalisation d’un TBH SiGe est l’intégration de la base SiGe.

En effet, elle doit répondre à certaines contraintes, de manière à assurer la qualité de la couche

épitaxiée et le bon fonctionnement du TBH en fin de process.

Nous allons nous limiter dans ce paragraphe à présenter brièvement les procédés de

fabrication de la filière BICMOS6G 0.35µm du fondeur STMicroelectronics.

5.2 Le TBH de la filière BICMOS6G 0.35µm : STMicroelectronics [22]

Cette filière est née d’une étude menée au CNET en collaboration avec STMicroelectronics.

Elle fait suite à la filière BICMOS5 0.5µm.

Les TBH de la filière BICMOS 6G ont été fabriqués dans un contexte d’intégration BICMOS (BIpolar

Complementary Metal Oxide Semiconductor) [19, 20]. La technique consiste à intégrer sur une même

puce des transistors bipolaires et MOS (NMOS et PMOS). La technologie BICMOS allie ainsi sur un

même circuit intégré d’une part des blocs logiques bénéficiant de la haute densité d’intégration et de la

faible consommation des circuits CMOS, et d’autre part des blocs radiofréquences bénéficiant de la

rapidité et du faible bruit des transistors bipolaires. Elle utilise des règles de dessin pour lesquelles la

largeur minimale de grille des transistors MOS est de 0.35µm.

Un profil graduel de germanium dans la base est utilisé dans cette technologie. Il établit un

champ accélérateur des électrons dans la base qui permet une diminution du temps de transit des

porteurs dans la base τB, et donc une amélioration de la fréquence de transition fT et du gain en courant

β. Le taux de germanium dans la base ne dépasse pas 15 %, afin de ne pas créer de trop fortes

contraintes entre les couches de base SiGe et Si.

Les principales clefs du procédé de fabrication de ces TBH sont résumées ci-dessous :

L’émetteur est en polysilicium pour obtenir (entre autres) un faible temps de transit

dans l’émetteur, une amélioration de l’efficacité d’injection et du gain ;

Une utilisation d’une architecture auto-alignée, minimisant les éléments tels que la

résistance de base et la capacité de la jonction BC ;

Une couche de SiGe capable de supporter un recuit de haute température pour assurer

une bonne compatibilité avec les CMOS ;

L’utilisation de LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) pour isoler les composants

entre eux ;

Une croissance non sélective de la couche SiGe effectuée par une technique

UHV/CVD.

La figure I.9 représente une vue en coupe d’un TBH SiGe de la filière BICMOS 6G .


- 25 -

Figure I.9 : Vue en coupe d’un TBH SiGe en technologie BICMOS6G de STMicroelectronics

D’autres architectures de TBH SiGe sont commercialisées, voici quelques exemples :

- le TBH SiGe « abrupt » de Daimler-Benz et TEMIC : il utilise un profil de

germanium abrupt dans la base. Cette architecture vise plutôt des applications de

circuits faible bruit et fonctionnant à des fréquences très hautes en raison d’une

résistance de base très faible [23, 24].

- Le TBH SiGe, développé par NEC, basé sur l’épitaxie sélective. Ce procédé est

utilisé dans la fabrication de transistors utilisés pour des applications nécessitant un

temps de transit dans la base très court et une faible capacité de jonction BC [23].

5.3 Insertion d’une couche de carbone dans la base des TBH SiGe

Une des principales limitations de la technologie SiGe est la diffusion des dopants (Bore) de la

base vers le collecteur et l’émetteur durant un recuit [26]. Cette diffusion de Bore induit la formation

d’une hauteur de barrière parasite, provoquant de sévères dégradations dans les performances du

composant. De plus, plus la base est dopée, plus cette diffusion de Bore est importante. Il faut donc

chercher à bloquer cette diffusion pour pouvoir doper davantage la base. Ceci est possible en

introduisant une faible concentration de carbone dans la base.

Des études ont montré que l’introduction de carbone ne dégradait pas la qualité du cristal et

n’a pas d’effet ni sur les courants de fuite, ni sur le bruit basse fréquence des transistors [27]. En

revanche, elle permet d’obtenir de meilleures performances, aussi bien statiques que dynamiques. Des

études au centre STMicroelectronics de Crolles ont consisté en l’introduction d’une couche de carbone

dans la base d’un TBH SiGe de la filière BICMOS6G 0.35 µm [28]. Elles ont montré une amélioration

des performances statiques d’une part, au niveau du gain en courant β (environ 120 au lieu de 100) et

de la tension d’Early VAF (environ 40 V au lieu de 25V), et des paramètres dynamiques d’autre part,

au niveau de la fréquence de transition fT (environ 54 GHz au lieu de 46 GHz) et de la fréquence


- 26 -

maximale d’oscillation fMAX (environ 67 GHz au lieu de 58 GHz). D’autres résultats ont donné une fT

de 75 GHz et une fMAX de 65 GHz [29].

Etant donné les bons résultats obtenus, l’introduction d’une couche de carbone dans une base

SiGe est toujours utilisée dans les technologies naissantes. STMicroelectronics utilise d’ailleurs ce

procédé dans sa nouvelle technologie BICMOS7 0.25µm.

6 Performances des différentes technologies de TBH SiGe

Le tableau I.2 présente les performances de quelques TBH SiGe de référence utilisant

différents procédés de fabrication propres aux fondeurs.

Fondeur

Gain en

courant β

fT (GHz)

fMAX (GHz)

Références

STMicroelectronics

BICMOS 6G

SiGe 0.35µm

100 45 60 22

STMicroelectronics

BICMOS 6G SiGeC 120 54 67 28

STMicroelectronics

BICMOS 7 0.25µm 150 70 90 30

STMicroelectronics

BICMOS 7 SiGeC 300 120 100 30

Daimler Chrysler

180 156 80 31

NEC

120 51 50 32

Hitachi

120 130 180 33

Siemens

220 61 74 13

TEMIC

180 50 50 24

Tableau I.2: Performances de quelques filières de TBH SiGe


- 27 -

7 Conclusion

Dans ce premier chapitre, nous avons présenté le principe de fonctionnement du transistor

bipolaire à homojonction silicium. Nous avons mis en évidence les liens très étroits entre les

paramètres technologiques et les facteurs de mérite du transistor ainsi que la nécessité de réaliser lors

de leur fabrication des compromis dépendant de l’application souhaitée.

Les demandes grandissantes de transistors fonctionnant à des fréquences de plus en plus

élevées nécessitent des recherches sur de nouvelles technologies de composants plus adaptées.

L’utilisation de l’hétérojonction SiGe formant le TBH SiGe a permis de dépasser les limites

du transistor tout silicium. Un profil abrupt ou uniforme de germanium dans la base améliore

l’efficacité d’injection et autorise la réalisation d’une base fortement dopée et très fine, réduisant ainsi

le temps de transit dans la base. Un profil graduel génére un champ électrique accélérateur qui réduit

le temps de transit dans la base, mais ne permet pas d’obtenir une résistivité de la couche de base aussi

faible que dans le cas du profil abrupt.

Il est alors possible d’obtenir des composants très rapides (au delà de 100 GHz), avec de forts

gains en courant et des niveaux de bruit basse fréquence très faibles. Cette nouvelle technologie

présente également l’avantage d’être à très faible coût de production et surtout compatible avec la

technologie CMOS. Le TBH SiGe devient ainsi un sérieux concurrent des TBH en arséniure de

Gallium GaAs et est désormais en mesure de le supplanter dans des applications très faible bruit, telles

que la conception d’oscillateurs micro-ondes à très faible bruit de phase.


- 28 -

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du transistor bipolaire si au transistor bipolaire à...

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