Bref historique du transistor bipolaire

Bref historique du transistor bipolaire 

L’invention des transistors bipolaires remonte à décembre 1947. A la suite de nombreux tâtonnements, un groupe de recherche (Shockley, Brattain et Bardeen) des laboratoires Bell qui travaillait sur les semi-conducteurs, met en évidence l’effet transistor (Figure I.1.a) sur le premier dispositif amplificateur à base de semiconducteurs (Figure I.1.b). Il s’agissait alors d’un transistor à contacts ponctuels [2]-[5]. Puis, l’élaboration de monocristaux de silicium et la maîtrise de leur dopage ont permis d’appliquer cette technique à toute l’électronique avec des performances toujours accrues.

Le transistor MOS a progressivement supplanté toutes les technologies bipolaires avec l’avènement de l’ordinateur personnel et plus généralement de l’électronique numérique. En effet, sa simplicité d’élaboration (une couche de moins en technologie planaire que pour un transistor bipolaire) et surtout sa plus faible consommation ont rendu ce composant incontournable dans toute l’électronique moderne (≈ 80 %). De  ce fait, la recherche s’est accentuée du coté de ces technologies CMOS leur conférant des performances en fréquence jusque là accessible qu’à l’aide de la technologie bipolaire (pour ne parler que des deux technologies les plus répandues). C’est donc tout naturellement que le transistor bipolaire disparaît progressivement des thèmes de recherche en électronique intégrée [6].

On assiste cependant, depuis une dizaine d’années à l’apparition d’un nouveau type de transistor bipolaire : le transistor bipolaire à hétéro-jonction SiGe. Ce composant consiste en l’utilisation de matériaux d’énergies de gap différentes ce qui permet d’obtenir des fréquences de fonctionnement bien plus élevées qu’avec des transistors tout silicium (ou tout germanium). L’exploitation de cette différence d’énergie de gap pour des applications hyperfréquences était déjà connue depuis une trentaine d’années par l’utilisation de matériaux III-V (GaAs, InAs, InP …). Mais ces technologies requièrent des méthodes de mise en œuvre qui ne sont pas compatibles avec les filières silicium classiques. L’utilisation du germanium (bon accord de maille avec le silicium) pour réaliser l’hétéro-jonction a permis d’adapter ces transistors aux technologies silicium et a ainsi remis la technologie bipolaire au devant de la scène. Ce type de transistor a en effet récemment fait beaucoup parler de lui en franchissant la barre du demi-térahertz de fréquence de transition [7]. Cette performance a été obtenue en plaçant le transistor SiGe à température cryogénique. Ce n’est donc pas moins pour ses performances en fréquence que pour son bon fonctionnement à température cryogénique que la technologie SiGe s’annonce bien adaptée à notre application en instrumentation cryogénique.

Physique du semi-conducteur

Fonction de Fermi

Les électrons suivent la statistique de Fermi-Dirac qui donne le taux d’occupation des états pour une énergie E suivant l’expression (1), avec EF le potentiel chimique du système appelé énergie de Fermi dans le domaine des semiconducteurs, kB la constante de Boltzmann (1.38×10-23 J/K) et T la température en kelvin.

Semi-conducteur intrinsèque

Paires électrons/trous : Quand, sous l’agitation thermique, un électron atteint la bande de conduction, il laisse derrière lui un état vide (un trou) dans la bande de valence. Celui-ci correspondant à un électron manquant dans l’une des liaisons covalentes entre atomes. Sous l’influence d’un champ électrique, un électron de valence voisin peut se déplacer et prendre la place de l’électron manquant, déplaçant du même coup le trou. Ce trou est alors, lui aussi, capable de se déplacer à travers le matériau et donc de conduire l’électricité. Les électrons et les trous sont désignés sous le nom de porteurs de charge et circulent en sens inverse par application d’un champ électrique.

Un semi-conducteur est dit intrinsèque s’il ne contient pas d’impureté susceptible de modifier la densité de porteurs. Dans ces conditions, on peut dire que le nombre d’électrons libres ne dans la bande de conduction, résulte de la seule excitation thermique d’électrons liés de la bande de valence, laissant place à un nombre de trous nh.

Dopage

On peut profondément modifier les propriétés électriques d’un semiconducteur si l’on remplace quelques atomes du réseau par des atomes ayant, par rapport à l’atome substitué, un électron en plus ou en moins dans son cortège électronique. On qualifie alors le semi-conducteur devenu extrinsèque de semiconducteur dopé. Dans le cas d’un semi-conducteur de la colonne IV de la classification périodique (silicium ou germanium), on obtient un semi-conducteur de type N en introduisant des impuretés appartenant à la colonne V tel du phosphore. Le type P est lui obtenu à l’aide d’impuretés provenant de la colonne III tel le bore.

Dopage N : Dans le cas d’un semi-conducteur de type N, le dopant apporte, dans la bande interdite, à proximité de la bande de conduction (≈ 10 à 50 meV), des électrons qui passent très facilement dans celle-ci sous l’effet d’une excitation thermique. On dit que l’on a à faire à des donneurs d’électrons. Le niveau d’énergie de Fermi se rapproche donc de la bande de conduction (Figure I.2) de la valeur kBT.ln(Nd/ni) où Nd est la concentration d’atomes donneurs (8). A la température ambiante et pour des niveaux de dopage courant, on obtient les densités d’électrons et de trous données en (9), tous les atomes donneurs étant ionisés.

Dopage P : Dans le cas d’un semi-conducteur de type P, le dopant apporte lui des «trous » à proximité de la bande de valence qui vont très facilement être occupés par des électrons provenant de celle-ci sous l’effet de la température. Il en résulte des trous dans la bande de valence qui vont eux aussi participer au processus de conduction électrique dans le cristal, on les appelle des accepteurs d’électrons. Le niveau de Fermi se rapproche dans ce cas de la bande de valence (Figure I.2) de la valeur kBT.ln(Na/ni) ou Na est la concentration d’atomes accepteurs (10).

Dépendance en température de la densité de porteurs 

Les porteurs de charge (électrons ou trous) provenant des dopants sont généralement plus nombreux (à température ambiante) que ceux venant du semiconducteur lui-même. Dans un semi-conducteur, le transport de charges se fait à la fois par les électrons et par les trous. Dans un semi-conducteur intrinsèque, ces deux porteurs de charges sont en nombre égaux. Dans un semi-conducteur dopé N, il y a un fort excédent d’électrons par rapport aux trous et l’inverse lorsqu’il est dopé P. On appelle porteurs majoritaires par opposition aux porteurs minoritaires les porteurs de charges qui sont en plus grand nombre. Lorsque la température du semi conducteur est abaissée, les densités de donneurs ou d’accepteurs ionisés diminuent progressivement de même que les densités de porteurs libres. Etudions qualitativement, dans le cas d’un semi-conducteur de type N, la densité d’électrons libres en fonction de la température. Pour des températures élevées, les donneurs ne jouent aucun rôle significatif, on retrouve donc la dépendance en température de la densité de porteur intrinsèque ni : c’est le régime intrinsèque (7). Cette dépendance, essentiellement en exp(-Eg/2kBT), peut être mise en évidence sur une représentation log/lin (Figure I.3) par une droite de pente -Eg/2kB [9][10], en négligeant les variations de Eg. Pour des températures proches et plus basses que la température ambiante, la densité d’électrons est constante et égale à la densité de donneurs Nd (9). L’énergie thermique est suffisante pour ioniser tous les donneurs mais insuffisante pour créer un nombre conséquent de porteurs intrinsèques. Ce régime est appelé régime extrinsèque [10] ou régime d’épuisement des donneurs [9].

Table des matières

INTRODUCTION
I. TRANSISTORS BIPOLAIRES
I.1. Introduction
I.2. Bref historique du transistor bipolaire
I.3. Physique du semi-conducteur
I.3.1. Fonction de Fermi
I.3.2. Semi-conducteur intrinsèque
I.3.3. Dopage
I.3.4. Dépendance en température de la densité de porteurs
I.4. Jonction PN
I.4.1. Description de la jonction PN
I.4.2. Diode à l’équilibre
I.4.3. Polarisation directe
I.4.4. Polarisation inverse
I.4.5. Largeur de la zone de charge d’espace
I.5. Transistor bipolaire
I.5.1. Description du transistor bipolaire
I.5.2. Effet transistor
I.5.3. Théorie de la diffusion dans un transistor bipolaire NPN
I.5.4. Efficacité d’injection d’émetteur
I.5.5. Gain en courant
I.5.6. Gain en courant petit signal alternatif
I.5.7. Temps de transit dans la base
I.5.8. Gain en tension
I.5.9. Régime de forte injection
I.5.10. Impédance d’entrée et de sortie
I.5.11. Schéma équivalent en petit signal (dit de Giacoletto)
I.5.12. Fréquence au gain unité en courant et en tension
I.6. Transistor bipolaire à hétéro-jonction Si/SiGe
I.6.1. Description
I.6.2. Expression du gain en courant pour un transistor SiGe
I.6.3. Tenue en température
I.6.4. Technologies BiCMOS SiGe AMS utilisées
I.7. Conclusion
I.8. Bibliographie
II. BRUITS ELECTRONIQUES
II.1. Introduction
II.2. Définition
II.3. Classification
II.3.1. Bruit d’origine externe au circuit électronique
II.3.2. Bruit d’origine interne au circuit électronique
II.4. Considérations théoriques relatives aux signaux aléatoires
II.4.1. Valeur quadratique moyenne
II.4.2. Densité spectrale de puissance
II.4.3. Amplitude d’un signal aléatoire
II.4.4. Signaux indépendants et signaux corrélés
II.4.5. En résumé
II.5. Origines physiques et modélisation
II.5.1. Bruit thermique (Johnson noise)
II.5.2. Bruit de grenaille (shot noise)
II.5.3. Bruit « en 1/f »(flicker noise)
II.6. Bruit dans les composants électroniques
II.6.1. Résistance
II.6.2. Alimentation
II.6.3. Capacité
II.6.4. Diode à jonction
II.6.5. Transistor bipolaire
II.7. Sources de bruit ramenées en entrée d’un transistor bipolaire
II.7.1. Sources équivalentes de bruit ramenées en entrée d’un quadripôle
II.7.2. Schéma équivalent du transistor bipolaire avec les sources équivalentes de bruit en entrée
II.7.3. Source équivalente de tension de bruit en
II.7.4. Source équivalente de courant de bruit in
II.8. Bruit dans les capteurs à supraconducteur
II.8.1. Bruit dans les bolomètres à supraconducteur
II.8.2. Bruit dans les TES
II.8.3. Bruit dans les SQUID
II.9. Conclusion
II.10. Bibliographie
III. TECHNOLOGIES BIPOLAIRES A TEMPERATURES CRYOGENIQUES
III.1. Introduction
III.2. Technologies bipolaires pour applications cryogéniques
III.2.1. Impédance d’entrée
III.2.2. Impédance de sortie
III.2.3. Amplification en tension
III.3. Comparaison BJT Si et HBT SiGe à 300 K et 77 K
III.3.1. Technologies Si et SiGe testées
III.3.2. Principe de mesure
III.3.3. Transconductance gm
III.3.4. Gain en courant β
III.3.5. Impédance différentielle d’entrée h11
III.3.6. Gain en puissance AP
III.3.7. Conclusion sur les mesures à 77 K
III.4. Comparaison HBT SiGe 0.8 µm et 0.35 µm à 300 K, 77 K et 4.2 K
III.4.1. Application à 4.2 K
III.4.2. Principe de mesure
III.4.3. Courbe de Gummel (« Gummel plot »)
III.4.4. Gain en courant β
III.4.5. Transconductance gm
III.4.6. Impédance différentielle d’entrée h11
III.4.7. Performances en émetteur commun
III.4.8. Caractéristique de sortie IC(VCE)
III.4.9. Conclusion sur les mesures à 4.2 K
III.5. Mesures de bruit de transistors SiGe 0.35 µm à 300 K, 77 K et 4.2 K
III.5.1. Méthodologie
III.5.2. Les transistors SiGe mesurés
III.5.3. Récupération et traitement des données
III.5.4. Identification des bruits à 300 K
III.5.5. Identification des bruits à 77 K
III.5.6. Identification des bruits à 4.2 K
III.5.7. Comparaison 300 K, 77 K, 4.2 K
III.5.8. Conclusion sur les mesures de bruit
III.6. Conclusion
III.7. Bibliographie
CONCLUSION

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