"Microélectronique cryogénique
pour instrumentation bas bruit"
Porquerolles 2007
Fabrice Voisin - APC - [email protected]
Les travaux présentés ont été réalisés en collaboration avec :
Damien Prêle - LISIF - [email protected]
Définition
• Le domaine des températures cryogéniques concerne les températures T 120K (-153°C)
• Deux températures clés qui sont celles de liquides cryogéniques communément employés:
- Température de l’azote liquide: 77K (-196°C)
- Température de l’hélium liquide (hélium 4): 4,2K (-269°C)
On est bien loin de la traditionnelle gamme des températures (de -65°C/-55°C à +125°C) pour
laquelle sont spécifiées la plupart des technologies utilisées en microélectronique
En vue d’une réalisation, la connaissance du comportement en température des transistors
ainsi que des éléments passifs de la technologie retenue s’avère donc indispensable (phase de
caractérisation incontournable)
• A noter enfin que si l’utilisation de technologies standard est de plus en plus répandue pour des
applications à 77K, une transposition jusqu’à 4,2K n’y a rien de trivial puisque le rapport des
températures est de 300K/77K4 contre 77K/4,2K20, soit un gap restant à franchir 5 fois plus
important
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit", Porquerolles 2007 2
Plan
Introduction, quels sont les motivations et les besoins
Rappel concernant la physique des semi-conducteurs et la principale
limitation que constitue le phénomène de gel des porteurs (carrier freeze-out)
en dessous d’une température donnée
Comportement des transistors MOS à basses températures
Transistors bipolaires à homojonction Si et à hétérojonction SiGe
Résultats de caractérisation de la technologie BiCMOS SiGe 0.35µm d’AMS
Exemple de réalisation cryogénique bas bruit: circuit d’amplification et de
multiplexage pour la lecture d’une matrice de TES au moyen de SQUID
Conclusion
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INTRODUCTION:
Quels sont les motivations, les besoins
et les solutions
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007 4
Motivations /1
• Un premier aspect, lié à l'intérêt de faire fonctionner une électronique à température
cryogénique en vue de bénéficier de performances accrues
• Dans le domaine du numérique, les améliorations concernant la technologie CMOS sont
nombreuses (du moins jusqu'à 77K) [CLA-92] [GHI-95]:
- Augmentation de la mobilité des porteurs et par suite de la transconductance
- Réduction des capacités et des résistances parasites d'interconnexion
- Diminution des courants de fuite
- Plus grande immunité au phénomène de latch-up (chute du gain en courant
des transistors bipolaires parasites)
• Dans le domaine de l'instrumentation analogique:
- Réduction du bruit thermique (dit de Johnson) de l’électronique de traitement
- Augmentation de la transconductance et des fréquences de transition [KRI-06]
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