Dessin cryogénique

"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/77K≈4 contre 77K/4,2K≈20, 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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