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
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
3
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]
…
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
5
Motivations /2
• Un second aspect, lié à la nécessité de disposer d’une électronique pour la mise en
œuvre de dispositifs refroidis, c’est le cas notamment des instruments utilisant des
capteurs à base de matériaux supraconducteurs:
- Bolomètres à transition résistive, TES (Transition Edge Sensors) fonctionnant à 300mK
ou à 77K (matériaux à haute température critique), utilisés pour la détection de
rayonnements électromagnétiques (ondes millimétriques et submillimétriques) [MAY-03]
- SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) fonctionnant à 4.2K, réalisés à
partir de jonctions Josephson, utilisés en tant que magnétomètres dans le domaine de
l’imagerie médicale [OHT-04], ou en tant qu’amplificateurs ultra-bas bruit pour
l'instrumentation [MAY-03]
• Ces capteurs délivrent de faibles signaux (quelques µV), sont pour la plupart
extrêmement performants en terme de bruit (fraction de nV/√Hz) et, de ce fait, requièrent
une électronique de lecture bas bruit (amplification bas bruit)
• Pour être refroidis, ces capteurs sont placés à l’intérieur d’un cryostat
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
6
Besoins
• Le traitement analogique de faibles signaux en milieu cryogénique est délicat lorsque
l’électronique fonctionne en dehors du cryostat du fait de la connectique [FAB-02]
[PRE1-06]:
- Augmentation du bruit et du temps de réponse résultant des effets de microphonie et
des capacités parasites
- Contribution en bruit non négligeable de la résistivité des câbles utilisés en cryogénie
(longs fils résistifs, en inox ou manganin, pour assurer l’isolation thermique du cryostat et
diminuer la consommation des fluides), 1m de câble inox (20Ω/m) correspond à
0,6nV/√Hz à 300K
- Bien souvent, pour atteindre le niveau de bruit du capteur, l'électronique de traitement
doit être refroidie pour pouvoir bénéficier d’une diminution de son bruit thermique
• C’est d’autant plus délicat voire même impossible lorsqu’il s’agit d’une matrice constituée
d’un grand nombre de capteurs à supraconducteurs:
L’électronique d’adressage et de traitement doit fonctionner à proximité immédiate du
capteur i.e. à température cryogénique afin de limiter le nombre de câbles à sortir
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
7
Solutions
• Bon nombre de réalisations d'instrumentation analogique utilisent des transistors discrets
du commerce pré-caractérisés [KIV-06]
• Il n'existe pas à proprement parler de technologie spécifiquement dédiée à un
fonctionnement en milieu cryogénique qui soit disponible sur le marché
• En revanche, l'utilisation de technologies standards est envisageable mais nécessite une
phase préalable de caractérisation et éventuellement la mise en œuvre de modèles pour
une simulation à température cryogénique:
- Technologies CMOS, jusqu'à 77K, au-delà limité par le phénomène de gel des porteurs
- Technologies bipolaires SiGe, jusqu'à 4.2K, dépend des niveaux et du profil de dopage
• Avantages:
Ce sont des technologies (CMOS Si et BiCMOS SiGe) à faible coût, fort niveau
d'intégration, et autorisant des réalisations basse consommation (contrainte forte qui
concerne notamment l’autonomie des cryo-générateurs utilisés dans le cadre
d’applications spatiales [KIR-90])
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
8
RAPPELS SUR LA PHYSIQUE DES
SEMI-CONDUCTEURS:
Limitation physique imposée par le gel
des porteurs à très basse température
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
9
Limitation physique
• Dans un semi-conducteur (S.C.), les mécanismes de conduction sont fortement
dépendants de la température: celle-ci détermine le nombre de porteurs libres pouvant
participer à la conduction et leur aptitude à se déplacer dans le réseau (mobilité), en
influant sur les interactions que ces porteurs peuvent avoir avec les atomes du réseau ou
les atomes d’impuretés introduites
• Pour tout S.C. non dégénéré, il existe une température de fonctionnement limite en
dessous de laquelle, en raison du phénomène de gel des porteurs (carrier freeze-out), il
n’y a plus de conduction possible (du moins le nombre de porteur libre n’est plus suffisant
pour pouvoir assurer une conduction significative), le matériau devient isolant (quasiment)
• Pour comprendre l’origine de cette limitation physique et par la suite ses implications il
convient d’effectuer quelques rappels élémentaires concernant la physique des semiconducteurs et plus particulièrement l’évolution de la concentration des porteurs et du
niveau de Fermi en fonction de la température
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
10
S.C. intrinsèque /1
• Notion de bandes d’énergie:
Les bandes d’énergie indiquent les états possibles d’énergie des électrons dans un cristal:
- Bande de valence (B.V.) : dernière bande permise presque/entièrement pleine (maximum EV)
- Bande de conduction (B.C.) : première bande permise presque/entièrement vide (minimum EC)
- Gap: bande d’énergie interdite séparant la B.V. et la B.C. (de largeur Eg=EC-EV)
• Semi-conducteur intrinsèque (non dopé):
- Pour T=0K, un S.C. intrinsèque pur est un isolant: la B.V.
est pleine tandis que la B.C. est vide
- Pour T≠0K, un électron de la B.V. va pouvoir franchir la
bande interdite et rejoindre la B.C. laissant la place à un trou
dans la B.V., le S.C. se comporte alors comme un
conducteur dont la conductivité dépend fortement de la
température
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
11
S.C. intrinsèque /2
• Densités de porteurs dans un S.C. intrinsèque:
- L’étude du comportement statistique des densités d’électrons (n) et de trous (p) dans les B.C. et
B.V. respectivement (porteurs libres) conduit aux relations suivantes:
⎛ 2πmn,pkT ⎞
⎛ E − EC ⎞
⎛ E − EF ⎞
⎟⎟
n = NC exp⎜ F
⎟ et p = NV exp⎜ V
⎟ avec NC,V = 2⎜⎜
2
kT
kT
h
⎠
⎝
⎝
⎠
⎝
⎠
32
(1)
NC et NV densités d’états, mn et mp masses effectives des électrons et des trous, respectivement,
h=6,6x10-34 J.s, k=1,38x10-23 J/K
- L’énergie de Fermi EF représente l’énergie potentielle moyenne de tous les électrons, sa
position dans le gap détermine les propriétés électroniques d’un S.C.:
Dans un S.C. intrinsèque la conduction se fait autant par les électrons (conduction de type N) que
par les trous (conduction de type P), le niveau de Fermi se situe au milieu de la bande interdite
EF =
⎛ N ⎞ E + EV
EC + E V 1
+ kT ln⎜⎜ V ⎟⎟ ≈ C
2
2
2
⎝ NC ⎠
(2)
mn ≈mp
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
12
S.C. intrinsèque /3
• Concentration en porteurs intrinsèques:
- Les densités de porteurs n et p sont reliées par la loi d’action de masse, avec ni la concentration
en porteurs intrinsèques:
(3)
ni2 = n × p
- Dans un S.C. intrinsèque il y a autant d’électrons que de trous créés par agitation thermique:
⎛ Eg ⎞
12
n = p = ni = (NCNV ) exp⎜ −
⎟
2
kT
⎝
⎠
(4)
ni(300K)≈1,5x1010cm-3 pour du silicium (Si) et ni(300K)≈2,4x1010cm-3 pour du germanium (Ge)
• Dépendance en température:
ni (T ) ∝ (kT )
32
⎛ Eg ⎞
exp⎜ −
⎟
⎝ 2kT ⎠
(5)
Toutes choses égales par ailleurs, pour T<150K dans le Si et pour T<100K dans le Ge, c’est la
dépendance vis-à-vis du terme en exponentiel qui prédomine si bien que ni décroît
exponentiellement à température décroissante (à noter que Eg passe de 1,12eV à l’ambiante à
1,165eV à 0K pour le Si et de 0,66eV à 0,746eV pour le Ge, cette augmentation, bien que
contribuant à la décroissance de ni, est néanmoins trop faible pour être significative)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
13
S.C. intrinsèque /4
• Conductivité et résistivité d’un S.C. intrinsèque:
- Par application d’un champ électrique, la conduction se fait à la fois grâce au mouvement des
électrons libres dans la B.C. et à la migration des trous dans la B.V.
- On exprime la densité totale de courant comme la somme des densités de courant dues aux
électrons et aux trous:
J = σ E avec σ = q(nμn + pμp ) = q(μn + μp )ni , σ conductivi té et ρ =
1
résistivité
σ
(6)
• Dépendance en température:
la mobilité des porteurs μn , μp (T ) ∝ (kT )
−3 2
⎛ Eg ⎞
par suite σ(T ) ∝ exp⎜ −
⎟
⎝ 2kT ⎠
(7)
A température décroissante, l’augmentation de la mobilité des porteurs ne compense que le
terme en (kT)3/2 présent dans l’expression de ni si bien que la conductivité d’un S.C. intrinsèque
décroît exponentiellement (inversement pour la résistivité)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
14
S.C. extrinsèque /1
• Semi-conducteur extrinsèque (dopé):
- On modifie les propriétés électriques d’un S.C. en introduisant une quantité d’atomes ayant un
électron en plus (atomes donneurs du groupe V: phosphore (P)) ou en moins (atomes
accepteurs du groupe III: bore (B)) dans leur cortège électronique par rapport aux atomes du
réseau auxquels ils vont se substituer (constitués d’éléments simples du groupe IV: Si, Ge)
- Dans le diagramme des énergies, les niveaux ED ou EA,
correspondant aux atomes donneurs ou accepteurs
introduits, sont situés à une dizaine de meV en dessous
de la B.C. ou au dessus de la B.V. respectivement:
Sous l’effet de l’agitation thermique, les électrons ou les
trous qui peuplent ces niveaux vont, dans un cas,
facilement transiter vers la B.C. (transition des électrons
du niveau ED vers la B.C.) ou, dans l’autre, vers la B.V.
(occupation des trous du niveau EA par des électrons
provenant de la B.V.)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
15
S.C. extrinsèque /2
• Densité des porteurs dans un S.C. extrinsèque:
La concentration des porteurs dans un S.C. extrinsèque comportant les deux types d’impuretés
s’obtient en résolvant l’équation du 2nd ordre résultant, d’une part, de l’équation de neutralité
dans le S.C. et, d’autre part, de la loi d’action de masse:
n + N-A = p + ND+ , et ni2 = n × p
(8)
-1
⎡
⎡
⎛ E − ED ⎞ ⎤
⎛ E − EF ⎞ ⎤
−
avec ND+ = ND × ⎢1 + 2 exp⎜ F
⎟⎥ et NA = NA × ⎢1 + 4 exp⎜ A
⎟⎥
⎝ kT ⎠⎦
⎝ kT ⎠⎦
⎣
⎣
ND+ atomes donneurs ionisés et N-A atomes accepteurs ionisés
(
(9)
)
- S.C. de type N ND+ >> N-A :
n=
−1
(
) (N
1⎡ +
−
N
−
N
D
A +
2 ⎢⎣
(
[
]
[
]
+
D
− N−A
)
1
+ 4ni2 ⎤⎥ ≈ ND + ND2 + 4ni2 avec ND+
≈ ND (10)
T = 300K
⎦ 2
−
A
− ND+
)
1
+ 4ni2 ⎤⎥ ≈ NA + N2A + 4ni2 avec N−A
⎦ 2
2
)
- S.C. de type P N−A >> ND+ :
p=
(
) (N
1⎡ −
NA − ND+ +
⎢
2⎣
2
T =300K
≈ NA (11)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
16
S.C. extrinsèque /3
• Positionnement du niveau de Fermi:
- A T=300K, on s’arrange généralement pour que la concentration des dopants soit supérieure à
celle des porteurs intrinsèques, ND>>ni ou NA>>ni, de sorte à favoriser une conduction de type N
ou de type P, soit n≈ND ou p≈NA respectivement (on suppose que tous les atomes donneurs et
accepteurs sont ironisés à cette température, ND+ ≈ ND et N−A ≈ NA)
- La position du niveau de Fermi évolue comme (Ei niveau de Fermi intrinsèque):
S.C. de type N (ND>>ni):
⎛n⎞
⎛N ⎞
EFn = Ei + kTln⎜⎜ ⎟⎟ ≈ Ei + kTln⎜⎜ D ⎟⎟
⎝ ni ⎠
⎝ ni ⎠
(8)
S.C. de type P (NA>>ni):
⎛p⎞
⎛N
EFp = Ei − kTln⎜⎜ ⎟⎟ ≈ Ei − kTln⎜⎜ A
⎝ ni ⎠
⎝ ni
(9)
⎞
⎟⎟
⎠
- Pour évaluer la concentration des porteurs et la position du niveau de Fermi en fonction de la
température on se contentera de n’étudier que les cas extrêmes
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
17
S.C. extrinsèque /4
• Dépendance en température de la densité des porteurs dans un semi-conducteur
extrinsèque (exemple d’un S.C. extrinsèque de type N):
- Pour des températures élevées:
Les transitions d’électrons de la B.V. vers la B.C. sont prédominantes, les atomes donneurs ne
jouent aucun rôle significatif (ils sont tous ionisés), on retrouve alors la dépendance en
température de la densité de porteurs intrinsèques ni: c’est le régime intrinsèque
E + EV
⎛ Eg ⎞
n = p = ni soit n(T ) ∝ exp⎜ −
⎟ et EFn = Ei ≈ C
2
⎝ 2kT ⎠
(10)
- Pour des températures proches et plus basses que la température ambiante:
La densité d’électrons dans la B.C. est constante et égale à la densité de donneurs ND, l’énergie
thermique (kT) est suffisante pour ioniser tous les atomes donneurs, mais insuffisante pour
créer un nombre conséquent de porteurs intrinsèques: on parle de régime extrinsèque ou
régime d’épuisement des donneurs
n = ND et EFn = EC + kTln
ND
NC
(11)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
18
S.C. extrinsèque /5
- Pour des températures proches du zéro absolu:
L’énergie thermique n’est plus suffisante pour l’ionisation, on retrouve un régime comparable au
régime intrinsèque dans lequel l’énergie d’ionisation des donneurs Ed=EC-ED vient remplacer le
rôle que jouait l’énergie de gap Eg en régime intrinsèque: c’est le régime de gel des porteurs
(carrier freeze-out)
12
E + ED
⎛N N ⎞
⎛ Ed ⎞
⎛ Ed ⎞
n = ⎜ C D ⎟ exp⎜ −
⎟ soit n(T ) ∝ exp⎜ −
⎟ et EFn ≈ C
2
⎝ 2kT ⎠
⎝ 2kT ⎠
⎝ 2 ⎠
(12)
La densité des porteurs est directement proportionnelle à la racine carrée de la concentration
des atomes donneurs et décroît exponentiellement à température décroissante
N
⎛N ⎞
Pour NC = D on défini : TF = ⎜ D ⎟
2
⎝ 4 ⎠
23
⎛ h2 ⎞
⎟⎟
⎜⎜
2
m
k
π
n ⎠
⎝
(13)
température à laquelle apparaît le gel des porteurs
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
19
S.C. extrinsèque /6
• Dépendance en température de la densité des
porteurs n dans un semi-conducteur de type N:
- Régime intrinsèque: (hautes températures)
ionisation complète des porteurs intrinsèques
ND+ ≈ ND , ni >> ND+ , n ≈ p ≈ ni
- Régime extrinsèque: (températures ambiante et basses)
ionisation complète des atomes donneurs
ND+ ≈ ND et ND+ >> ni , n ≈ ND+ , p ≈ ni2 n
- Régime de gel des porteurs: (très basses températures)
ionisation incomplète des atomes donneurs
ND+ >> ni , n ≈ ND+ << ND et p ≈ ni2 n
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
20
Gel des porteurs (freeze-out)
• Conséquence du gel des porteurs sur la conductivité:
⎛ Ed ⎞
Pour un S.C. de type N : σ ≈ qnμn par suite σ(T ) ∝ exp⎜ −
⎟
(14)
⎝ 2kT ⎠
- Malgré une augmentation de la mobilité des porteurs à basses températures, la conductivité
d’un S.C. en régime de gel des porteurs décroît exponentiellement à température décroissante
faute de porteurs libres en quantité suffisante pour pouvoir assurer la conduction
- Le phénomène est moins prononcé dans un S.C. fortement dopé car, même si le régime de
gel des porteurs se manifeste à plus haute température, en terme de conduction, il importe
d’avantage de considérer, pour une température donnée, l’accroissement de la densité des
porteurs (en contrepartie un fort dopage réduit la mobilité des porteurs [SZE-81])
- L’énergie d’ionisation Ed est de 44 meV pour le Si et 12 meV pour le Ge, tous deux dopés au
phosphore, le Ge subit donc moins fortement l’effet de gel des porteurs [KIR-90]:
Ainsi, pour un dopage ND≈3x1018cm-3, le gel des porteurs se manifeste pour T≤40K dans le Si
contre T≤20K dans le Ge à même densité de porteurs
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
21
S.C. extrinsèque dégénéré
• Semi-conducteur extrinsèque dégénéré:
Dans le cas d'un S.C. extrinsèque dégénéré le phénomène de gel des porteurs n'affecte pas, ou
peu, les mécanismes de conduction:
- La concentration d’impuretés introduites est en général de l’ordre de 1016 à 1018 atomes par
cm3 selon les domaines d’application
- Lorsque la concentration en impuretés est élevée, très supérieure à 1018cm-3 pour le Ge et le
Si, les niveaux donneurs et accepteurs s’élargissent jusqu’à toucher le bord des bandes
voisines: le S.C. extrinsèque est dégénéré, les atomes donneurs ou accepteurs ne requièrent
alors aucune énergie thermique pour leur ionisation
- Les propriétés de conduction du S.C. sont alors similaires à celles d’un métal faiblement
conducteur
- Si la dégénérescence est difficilement atteinte dans le Si (concentrations >1019cm-3) en
revanche elle l’est plus facilement dans l’AsGa dès lors que le niveau de dopage est de l’ordre
de 1016cm-3, ce qui est commun pour ce genre de matériau, c’est pourquoi les MESFET AsGa
sont le plus souvent utilisés pour des applications cryogéniques à très basses températures
(T≤4,2K) [ALE-95] [CAM-96]
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
22
Structures hétérogènes
• Système hétérogène:
Dans un composant actif de base (diode, transistor bipolaire, transistor MOS… ), constitué de la
juxtaposition de plusieurs S.C. différemment dopés et/ou de natures différentes, en l’absence de
polarisation, l’équilibre thermodynamique impose que le potentiel électrochimique soit le même
en tout point de la structure (alignement des niveaux de Fermi)
L’application d’une différence de potentielle (d.d.p.) aux bornes des différentes jonctions crée un
déséquilibre qui conditionne le déplacement des porteurs de part et d’autre des interfaces:
Le signe et l’amplitude de la d.d.p. appliquée permettent alors de contrôler la direction et
l’intensité des flux de porteurs qui circulent au travers des jonctions
• Influence du gel des porteurs:
Le gel des porteurs affecte plus ou moins directement les mécanismes de diffusion de part et
d’autre des jonctions néanmoins ces effets vont pouvoir être compensés en ajustant en
conséquence les valeurs des d.d.p. appliquées
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
23
Jonction PN /1
• Jonction PN non polarisée:
Lors de la mise en contact de deux S.C. dopés P et N, apparaît, de part et d’autre de la jonction,
une d.d.p. interne Vd qui tend à rétablir l’équilibre thermodynamique (compensation de la
différence des énergies de Fermi EFp et EFn des deux matériaux):
EFp − EFn
NAND
kT
avec
V
=
≈ 26 mV à 300K
(15)
T
q
ni2
q
Elle correspond à la tension de seuil d’une diode qui est classiquement de 0,7V à l’ambiante
dans une jonction Si et de 0,35V pour une diode au Ge
Vd =
= VT ln
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
24
Jonction PN /2
- A la mise en contact, les porteurs majoritaires diffusent de part et d’autre de l’interface pour se
recombiner dans les zones où ils sont minoritaires, faisant apparaître une zone de charge
d’espace (ZCE), composée d’atomes accepteurs ionisés côté P (charges négatives) et d’atomes
donneurs ionisés côté N (charges positives); il en résulte un champ électrique interne qui entraîne
la dérive des porteurs minoritaires donnant ainsi naissance à un courant extrêmement faible,
appelé courant de saturation IS, qui, en l'absence de polarisation, compense le courant des
porteurs majoritaires IM
⎛N D N D ⎞
− Vd
ni2
= I0
IS = I0 exp
avec I0 = qA D ⎜ A p + D n ⎟
(16)
⎜ L
⎟
VT
NAND
L
n
⎝ p
⎠
⎛ ε kT
μ kT
Dn = n , L n = ⎜⎜ 2
q
⎝ 2q NA
12
⎞
⎟⎟
⎠
et Dp =
μpkT
12
⎛ ε kT ⎞
, L p = ⎜⎜ 2 ⎟⎟
q
⎝ 2q ND ⎠
(17)
AD aire de la jonction, ε permittivité du S.C., Dn, Dp constantes de diffusion et Ln, Lp longueurs de
diffusion des porteurs minoritaires
- En présence d’une polarisation VD appliquée entre P et N:
IM = I0 exp
VD − Vd
VT
(18)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
25
Jonction PN /3
• Polarisation directe:
Pour VD>0V, la hauteur de la barrière de potentielle diminue, passant de
Vd à Vd-VD, les électrons peuvent alors diffuser de la zone N vers la zone
P et inversement pour les trous, le courant des porteurs majoritaires
associé augmente (IM>>IS) entraînant un accroissement exponentiel du
courant total pour VD > quelques VT:
⎡
⎛V ⎞ ⎤
ID = IM − IS = IS ⎢exp⎜⎜ D ⎟⎟ − 1⎥
⎝ VT ⎠ ⎦
⎣
(19)
• Polarisation inverse:
Pour VD<0V, lorsque |VD| > quelques VT, il y a une augmentation de la
hauteur de la barrière de potentielle, la diffusion des porteurs majoritaires
est bloquée, seuls les porteurs minoritaires, propulsés par le champ
électrique associé à VD-Vd, atteignent la région opposée:
ID ≈ −IS
(20)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
26
Jonction PN /4
• Largeur et capacité de la ZCE:
- L’expression de la largeur de la ZCE s’obtient à partir de l’équation de neutralité électrique qui
implique l’égalité du nombre de charges positives présentes dans la zone désertée (de largeur
WZCE,n) du S.C. dopé N et négatives dans la zone désertée (de largeur WZCE,p) du côté P:
⎛ 2ε (Vd − VD ) ⎞
⎟⎟
= ⎜⎜
q
⎝
⎠
12
ND WZCE,n = NA WZCE,p par suite WZCE = WZCE,p + WZCE,n
12
⎛ 1
1 ⎞
⎜⎜
⎟⎟
+
N
N
D ⎠
⎝ A
(21)
- La largeur de la ZCE s’étend donc davantage dans le S.C. le moins dopé et varie également en
fonction de la d.d.p. appliquée, ainsi la ZCE a tendance à s’élargir en polarisation inverse et à se
rétrécir en polarisation directe
- La capacité de la zone de transition peut être assimilée à celle d’un condensateur plan dont la
valeur est inversement proportionnelle à la largeur de la ZCE, elle est donc plus importante en
régime de polarisation direct qu’en polarisation inverse
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
27
Jonction PN /5
• Dépendances en température:
- A mesure que la température décroît, les niveaux de Fermi EFp et EFn dans les zones dopées P
et N se rapprochent du haut de la B.V. et du bas de la B.C. respectivement, il en résulte un
accroissement de la tension de seuil: une conséquence directe est l’augmentation de la tension
requise pour polariser en direct la jonction base émetteur d’un transistor bipolaire
- Le courant de saturation dépend essentiellement de la température au travers de la
concentration des porteurs intrinsèques si bien que le courant de fuite d’une diode polarisée en
inverse décroît exponentiellement à température décroissante: il s’en suit une forte réduction des
courants de fuite, présents au niveau des jonctions drain-substrat et source-substrat d’un
transistor MOS, et qui contribuent, à l’ambiante, à la dégradation de ses performances
fréquentielles
- La largeur de la ZCE d’une jonction polarisée en inverse tend à s’élargir et donc sa capacité à
diminuer à température décroissante: ainsi, la capacité de jonction base-collecteur CjCB d’un
transistor bipolaire fonctionnant à basse température s’en trouve réduite, celle-ci pouvant limiter
la bande passante par effet Miller selon la valeur de l’impédance présentée en entrée du
transistor
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
28
Jonction métal isolant semi-conducteur /1
• Structure MOS idéale et création d’une zone d’inversion sous la grille:
Hypothèses:
- différence entre les travaux
de sortie et du S.C. Φm-Φs=0
- pas d’états d’interface
(impuretés piégées lors du
dépôt de l’oxyde)
- pas de charges dans l’isolant
- isolant parfait
(pas de courbure de bande
induite en l’absence de
polarisation)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
29
Jonction métal isolant semi-conducteur /2
• Influence de la température sur la création d’un canal d’inversion sous la grille:
- Lorsque la d.d.p. appliquée entre la grille et le substrat est suffisante pour attirer à la surface
de l’oxyde, côté substrat, une quantité significative d’électrons minoritaires et repousser les
trous majoritaires (NMOS sur substrat P), il y création d’un canal d’inversion sous la grille dans
lequel vont pouvoir, par la suite, circuler les électrons provenant de la source vers le drain par
application d’une d.d.p. entre ces deux bornes
- Cette tension de seuil VT correspond à l’énergie qu’il faut fournir pour courber les bandes
d’énergie, coté substrat, afin que le niveau de Fermi EFp se positionne largement au dessus du
niveau de Fermi intrinsèque Ei à l’interface oxyde S.C.
VT = 2φFi + γ (2φFi − Vb )
12
(2qε NA )
kT NA
avec φFi =
ln
et γ =
q
ni
COX
12
(22)
COX capacité de l’oxyde, Vb potentiel de substrat
- A température décroissante, EFp se rapproche du haut de la bande de valence EV contribuant
ainsi à une augmentation de la tension de seuil, autrement dit, à basse température, la création
du canal d’inversion sous la grille requiert une d.d.p. grille substrat plus importante
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
30
Mobilité des porteurs
• Domaine des températures hautes et proches de l’ambiante:
Dans cette gamme de température la mobilité des porteurs est affectée
par les vibrations des atomes du réseau sous l’effet de l’agitation
thermique (interactions avec les phonons), pour un S.C. intrinsèque ou
extrinsèque faiblement dopé:
μ(T ) ∝ T −3 2
(23)
Cette loi empirique n’est pas toujours vérifiée expérimentalement, ainsi
la mobilité des porteurs dans du Si et du Ge faiblement dopés varie au
voisinage de l’ambiante comme [SZE-81]:
μn,Si (T ) ∝ T −2,4 , μp,Si (T ) ∝ T −2,2 et μn,Ge (T ) ∝ T −1,7 , μp,Ge (T ) ∝ T −2,3 (24)
• Domaine des basses températures:
A basse température, la mobilité d’un S.C. extrinsèque non dégénéré
décroît à température décroissante et varie comme l’inverse de la
concentration en impuretés Ni:
μ(T ) ∝ Ni−1 T +3 2
(25)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
31
TRANSISTORS MOS:
Comportement à température cryogénique
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
32
Transistors MOS /1
• Utilisation de transistors MOS à température cryogénique:
Hormis le fait de devoir disposer de modèles de simulations valides pour la conception (cette
difficulté ne se limite pas qu’aux transistors MOS), l’utilisation de la technologie MOS pour des
applications à 77K est envisageable et présente même de nombreux intérêts notamment dans le
domaine du numérique:
- Les effets cumulés de l’augmentation de la mobilité des porteurs et par suite celle de la
transconductance, d’une éventuelle diminution de la capacité de grille et de la réduction des
courants de fuite font que, globalement, les transistors sont plus rapides à basse température
- Ainsi, des études menées sur des oscillateurs en anneaux réalisés à partir de portes CMOS
montrent qu’en abaissant la température de 300K à 77K il est possible de réduire de 30 à 50% le
temps de commutation d’une porte élémentaire, ou réciproquement, de pouvoir réduire dans les
mêmes proportions la tension d’alimentation et par conséquent la consommation pour une
fréquence de fonctionnement fixée [YOS-05]
Dans le domaine de l’analogique les intérêts sont également nombreux, en revanche, le choix du
point de fonctionnement s’avère déterminant surtout lorsque, faute de pouvoir disposer de modèle
de simulation, on est contraint d’extrapoler des résultats obtenus à l’ambiante pour prédire des
performances à basse température, il convient alors de s’intéresser à l’évolution en température
des caractéristiques statiques
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
33
Transistors MOS /2
• Évolution en température de la caractéristique de transfert d’un MOS:
- Les caractéristiques d’un transistor MOS dépendent de la température au travers de deux
paramètres qui sont la mobilité des porteurs µ et la tension de seuil VT, tous deux fonctions
croissantes à température décroissante si bien que dans l’expression du courant de drain d’un
transistor MOS en régime de saturation, pour deux températures de fonctionnement T0 et T1,
leurs variations se compensent pour une tension VGS donnée:
IDS =
μCOX W
(VGS − VT )2
2 L
(26)
- L’augmentation de la mobilité des porteurs à basse température
contribue globalement à une augmentation de la transconductance
(augmentation de la pente de la caractéristique de transfert en
régime de forte inversion):
∂V
gm = GS
(27)
∂IDS
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
34
Transistors MOS /3
• Point de polarisation à dérive nulle en température:
- Il est d’usage de considérer qu’au voisinage de la température ambiante la tension de seuil
varie linéairement:
VT (T ) = VT (T0 ) + α VT (T − T0 ) avec α VT ≈ −2mV/ °C à l' ambiante
(28)
- En supposant que cette approximation reste valable jusqu’aux températures cryogéniques, on
peut alors montrer que lorsque la mobilité des porteurs est exactement proportionnelle à T-2
[LAK-94] [FAB-02] il existe un point d’intersection unique par lequel passent toutes les
caractéristiques de transfert quelle que soit la température du domaine considéré i.e. un point
de fonctionnement indépendant de la température (ZTC pour Zero Temperature Coefficient
biasing) [SHO-89] [MAN-95] [FIL-01]
- Dans la pratique, peu de réalisations font état de l’exploitation de cette particularité, du moins à
température cryogénique, ce qui s’explique en partie par le fait que la condition portant sur la
mobilité dépend fortement du dopage pratiqué et de l’étendue de la plage de température
considérée, par ailleurs, si pour une technologie donnée ce point de fonctionnement existe
encore faut il qu’il soit compatible avec une réalisation basse consommation
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
35
Kink Effect dans les MOS /1
• Evolution en température des caractéristiques de sortie:
Si les caractéristiques de sortie des transistors MOS restent exploitables à 77K, en revanche, à
4,2K elles sont généralement entachées de discontinuités qui dans le meilleur des cas réduisent la
dynamique utilisable [DIE-88] [SIM-89] [SIM-90] [SIM-93]
Ce phénomène, connu sous le terme de kink effect, se traduit par l’apparition de discontinuités en
forme de marches d’escalier sur les caractéristiques de sortie IDS=f(VDS), il est en général précédé,
pour des températures T<10K, d’un phénomène d’hystérésis avec présence d’une zone à
résistance différentielle négative (NDR pour Negative Differential Resistance)
De manière générale, le kink effect s’observe dans les transistors MOS Si pour des températures
T<40K, il résulte du gel des porteurs dans le substrat et est similaire au phénomène observable à
température ambiante dans les MOS SOI partiellement désertés avec substrat flottant [HAF-90]:
- En régime de saturation, les porteurs libres qui transitent dans le canal d’inversion sous la grille
(électrons dans le cas d’un NMOS) sont soumis, entre la zone de pincement et le drain, à un
champ électrique intense
- Une partie de ces porteurs va acquérir une énergie suffisamment importante pour ioniser les
atomes de silicium du cristal et créer ainsi des paires électron-trou par impact
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
36
Kink Effect dans les MOS /2
- Le courant de trou résultant, ISub, s’évacue alors au travers du substrat lui-même soumis au
phénomène de gel des porteurs et présentant de fait une très forte valeur de résistance
intrinsèque RSub
- A mesure que la tension VDS croît, la proportion de trous créés par ionisation par impact
augmente tout comme la d.d.p. aux bornes de RSub, ce qui tend à accroître le potentiel de la zone
non désertée du substrat situé sous la grille, VBi, et ce, jusqu’à ce que la diode source-substrat
devienne polarisée en direct et se mette à conduire
- Le potentiel dans cette zone du substrat est alors fixé par la tension de seuil intrinsèque de la
jonction source-substrat et le reste au-delà de la valeur de tension VDS correspondante
- Cette augmentation du potentiel de substrat implique une brusque diminution de la tension de
seuil VT du transistor (cf. eq.22) qui se traduit par un saut de courant sur les caractéristiques de
sortie
• A noter que ce phénomène est bien plus important dans les transistors NMOS que dans les
PMOS pour lesquels les trous, qui participent à la conduction dans le canal, sont moins mobiles
que les électrons dans un NMOS et vont donner lieu à des taux d’ionisation par impact bien plus
faibles
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
37
Kink Effect dans les MOS /3
• Illustration du kink effect dans un NMOS:
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
38
Kink Effect dans les MOS /4
• Solution:
Pour contourner la limitation imposée par le kink effect dans le
domaine de l’analogique, certains [CRE-02] [MER-05] emploient
des techniques déjà éprouvées en technologie CMOS SOI qui
consistent à limiter l’excursion de la tension drain-source des
transistors NMOS utilisés de sorte que VDS<VDSKINK
Ainsi, on trouve dans la littérature l’exemple d’une réalisation d’un
amplificateur de tension en technologie CMOS standard permettant
d’atteindre un gain de 8000 (78dB) à 4,2K
AV =
vout
≈ −gm1gm 2rds1rds 2
vin
(29)
Le transistor d’entrée M1 est de type PMOS, car moins sensible au
kink effect, et l’ajout des transistors M3 et M4 permet de limiter
globalement les tensions drain-source de l’ensemble des transistors
NMOS
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
39
Hystérésis précédant le kink effect /1
Dans l’exemple d’un transistor NMOS, les processus d’ionisation des atomes accepteurs dans le
substrat, soumis au phénomène de gel des porteurs, sont très lents: ils s'accompagnent d’un
régime transitoire caractérisé par une constante de temps τion de l'ordre de la seconde voire la
dizaine à 4,2K alors qu'elle est de l'ordre la nanoseconde à 300K
⎡
⎛ t ⎞⎤
⎟⎟⎥ avec τion ≈ de 1 à 10s à 4,2K
N−A (t ) = NA ⎢1 − exp⎜⎜ −
τ
⎝ ion ⎠⎦
⎣
(30)
Il convient alors de remplacer NA par N−A (t ) dans l’expression de la tension de seuil VT (cf. eq.22)
Pour VDS≥VDSSAT, le champ électrique intense qui règne entre l’extrémité du canal d’inversion et le
drain induit une ionisation par impact, le régime transitoire qui caractérise ce mécanisme se traduit
alors par une croissance lente de la tension de seuil VT et inversement par une décroissance
progressive du courant de drain IDS (cf. eq.28)
Par suite, lorsque l’on relève la caractéristique de sortie du transistor à VDS croissant, en fonction
de la vitesse d’évolution de cette tension, les processus d’ionisation induits à partir de VDS≈VDSSAT
vont avoir plus ou moins le temps d’atteindre le régime établi entre deux points de mesures
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
40
Hystérésis précédant le kink effect /2
Il s’ensuit qu’à VDS croissant et pour VDS<VDSKINK, lorsque la vitesse d’évolution de la tension VDS
est très supérieure au temps d’établissement des processus d’ionisation, le courant IDS croît
jusqu’à atteindre un maximum, d'autant plus prononcé que cette vitesse est élevée, puis décroît
pour tendre finalement vers sa valeur en régime établi ( N−A (t ) tend vers NA)
En revanche, à VDS décroissant et pour VDS<VDSKINK, le courant IDS ne repasse pas par un
maximum puisque cette fois-ci les processus d'ionisation ont eu le temps de s'établir depuis
VDS>VDSKINK
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
41
Latch-up /1
• Origines:
- Le phénomène se produit dès l’instant où la d.d.p. aux bornes de l’une des résistances Rsub
ou Rwell est suffisante pour mettre en conduction l’un des deux transistors bipolaires parasites
- L’appel de courant, suscité par ce transistor, va permettre alors au second transistor de
conduire à son tour, le système est donc auto-entretenu
- La mise en conduction de ces deux transistors court-circuite l’alimentation du circuit, ce qui le
rend inutilisable, pouvant même provoquer une détérioration locale et définitive si l’on ne prend
garde à limiter le courant d’alimentation
- Le phénomène de latch-up peut avoir lieu au cours de régimes transitoires (mise sous tension,
commutation simultanée de plusieurs transistors à l’intérieur du circuit, …), de décharges
électrostatiques au travers de plots non protégés ou bien encore lorsque le circuit est soumis à
des radiations (applications spatiales)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
42
Latch-up /2
• Le domaine des températures cryogéniques permet d’être moins sensible au
phénomène de Latch-up:
- Chute du gain en courant des transistors bipolaires parasites (les BJT Si classiques ont un
β qui typiquement, selon les niveaux de dopage pratiqués [BUH-69], vaut une centaine à
l’ambiante, tend vers la dizaine pour T=77K et est inférieur à l’unité pour des températures
T=4,2K [HAN-86])
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
43
TRANSISTORS BIPOLAIRES:
Comportement des transistors bipolaires à
homo-jonction Si et à hétéro-jonction SiGe
à très basse température
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
44
Transistors bipolaires /1
• Utilisation des transistors bipolaires à températures cryogéniques:
- L’utilisation des transistors bipolaires dans le domaine de l’instrumentation analogique présente
de nombreux avantages, en particulier, pour l’amplification en tension de signaux issus de
sources basses impédances: les transistors bipolaires présentent, à mêmes surfaces et mêmes
courants de polarisation, une transconductance bien plus élevée et un niveau de bruit (bruit
thermique et bruit "en 1/f") bien plus faible que celui des transistors MOS
- Néanmoins le transistor bipolaire classique sur silicium (BJT pour Bipolar Transistor Junction)
est le plus souvent écarté des applications cryogéniques en raison de la chute de son gain en
courant β pour des températures T≤100K [BUH-69] [KIR-90]
- Toutefois, avec l’avènement du transistor bipolaire à hétéro-jonction SiGe (HBT pour
Heterojunction Bipolar Transistor) de nombreuses études démontrent l’aptitude de ce composant
à pouvoir fonctionner à température cryogénique (77K et 4,2K) avec un comportement
radicalement opposé à celui de son prédécesseur à homo-jonction et des performances
intrinsèques accrues [CRE-05]
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
45
Transistors bipolaires /2
L'effet transistor consiste à contrôler le courant
de la jonction base-collecteur polarisée en
inverse, par une injection de porteurs
minoritaires dans la base à partir de la jonction
base-émetteur polarisée en direct:
- Pour un transistor NPN, la jonction baseémetteur
injecte
une
grande
quantité
d'électrons dans la base (InE>>IpE≈IB puisque
ND,E>>NA,B), augmentant ainsi la concentration
en porteurs minoritaires dans cette région
- Sous l'action du champ électrique intense qui
règne au voisinage de la jonction basecollecteur, ces électrons sont propulsés vers le
collecteur
- Ainsi, la jonction base-collecteur se voit
traversée par un courant important (IC≈InE) bien
quelle soit polarisée en inverse
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
46
Transistors bipolaires /3
- Les électrons injectés de l’émetteur vers la base diffusent perpendiculairement aux plans des
jonctions sous l’action de la polarisation directe:
InE
⎛ VBE ⎞
qA EDnniB2
⎟⎟ avec IS =
= IS exp⎜⎜
et QB = NA,B WB
V
Q
B
⎝ T ⎠
(31)
AE surface de la jonction base émetteur, niB concentration intrinsèque des porteurs dans la base,
NA,B et WB respectivement le dopage et la largeur de la base
- Une faible proportion de trous injectés dans la base se recombinent avec les électrons qui
diffusent de l’émetteur vers le collecteur (Irec), il importe que WB soit petite pour minimiser ce
phénomène; la majorité des trous parvient néanmoins à atteindre l’émetteur constituant ainsi le
courant de base:
12
⎛ ε kT ⎞
qA EDpniE2
⎛ VBE ⎞
⎟
⎟⎟ avec L p = ⎜ 2
IB ≈ IpE =
exp⎜⎜
(32)
⎟
⎜
ND,ELp
V
2
q
N
D,E ⎠
⎝ T ⎠
⎝
- Si les recombinaisons sont faibles dans la base, le courant de collecteur est sensiblement égal
au courant d’électrons qui diffusent de l’émetteur vers la base:
IC ≈ InE
(33)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
47
Transistors bipolaires /4
• Efficacité d’injection de l’émetteur:
L’efficacité d’injection d’émetteur reflète le rendement global de l’effet transistor:
γ=
InE
InE + IpE
⎡ μpNA,B WB ⎛ n ⎞ 2 ⎤
⎜⎜ iE ⎟⎟ ⎥
= ⎢1 +
μnND,EL p ⎝ niB ⎠ ⎥
⎢⎣
⎦
-1
(34)
• Gain en courant:
Un transistor bipolaire est généralement caractérisé par son gain en courant:
2
μ N L ⎛n ⎞
μN L
I
I
⎛ Eg − EgB ⎞
β = C ≈ nE = n D,E p ⎜⎜ iB ⎟⎟ = n D,E p exp⎜ E
⎟
IB IpE μpNA,B WB ⎝ niE ⎠
μpNA,B WB
kT
⎝
⎠
(35)
- Pour garantir une efficacité d’injection d’émetteur proche de l’unité et un gain en courant élevé il
faut combiner un fort dopage d’émetteur et un faible dopage de base associé à une faible largeur
de base comparée à la longueur de diffusion des trous dans l’émetteur
- En contrepartie, le sous-dopage de la base entraîne une résistance intrinsèque de base élevée
RBi, tandis que le sur-dopage de l’émetteur accroît la capacité de jonction base collecteur CjCB
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
48
Transistors bipolaires /5
• Le transistor bipolaire à hétéro-jonction SiGe:
- La technologie bipolaire à hétéro-jonction SiGe a été initialement développée pour répondre
aux besoins grandissants, suscités par l’essor des moyens de télécommunications modernes, de
disposer de transistors de plus en plus rapides et pouvoir supplanter dans ce domaine les
technologies AsGa jugées coûteuses
- L’énergie de gap du Ge (≈0,66eV à l’ambiante) étant plus faible que celle du Si (≈1,12eV), il est
possible, en incorporant une quantité contrôlée de germanium dans la base, constituée
initialement de silicium, de réduire la bande interdite dans cette région
- L’hétéro-jonction ainsi constituée confère alors au transistor des performances fréquentielles
accrues
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
49
Transistors bipolaires /6
• Intérêt de l’hétéro-jonction:
- Elle permet de réduire la barrière de potentielle présentée aux
électrons tout en augmentant celle présentée aux trous: pour un
même courant de trous (IpE) les électrons sont plus nombreux à
franchir la base (InE), il en résulte une meilleure efficacité d’injection
d’émetteur ainsi qu’un gain en courant plus important
- Plutôt que de bénéficier d’un accroissement du gain en courant, il
est alors possible d’augmenter le dopage de base et de réduire
celui de l’émetteur, il s’en suit une diminution de la résistance
intrinsèque de base RBi et de la capacité de jonction base-émetteur
CjCB, ces deux évolutions permettent d’augmenter les fréquences
limites du transistor (fT et fmax)
- De plus, le profil graduel de Ge permet d’accélérer les électrons
dans la base, ce qui réduit le temps de transit dans la base τB et
donc d’augmenter considérablement la fréquence de transition
(fT>100GHz)
12
−1
⎛
⎞
⎤
1 ⎡ C jEB + C jCB
f
T
⎟
(36)
fT =
+ τB ⎥ et fmax = ⎜
⎢
⎜
⎟
2π ⎣
gm
8
π
R
C
Bi jCB ⎠
⎦
⎝
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
50
Transistors bipolaires /7
• Prédispositions du HBT SiGe à fonctionner à température cryogénique:
Bien que ce ne soit pas sa vocation initiale, il se trouve que l’hétéro-jonction confère à ce type de
transistor des prédispositions à pouvoir fonctionner à température cryogénique (meilleure
efficacité d’injection de l’émetteur, accroissement de la tension d’Early, base moins sensible au
freeze-out …), en particulier lorsque la quantité de Ge introduite dans la base est suffisante, on
observe un comportement radicalement opposé à celui du BJT Si en terme de gain en courant
• Réduction apparente de l’énergie de gap dans un S.C. fortement dopé:
La principale contribution de la dépendance en température d’un transistor bipolaire résulte des
effets de fort dopage [TAN-80] [DUM-81] [ALA-85]
Conventionnellement, pour rendre compte des effets liés au fort dopage d’un S.C. dans les
équations de transport tout en conservant leurs formes originelles on introduit un paramètre de
réduction apparente de l’énergie de gap, il s’agit d’un paramètre phénoménologique dans la
mesure où il ne représente pas physiquement une variation réelle de l’énergie de gap, par suite:
n
2
i , fort dopage
⎛ Eg − ΔEgapp ⎞
⎛ ΔEgapp ⎞
2
⎟⎟ = ni exp⎜⎜
⎟⎟ avec ΔEgapp > 0
= NCNV exp⎜⎜ −
kT
⎝
⎠
⎝ kT ⎠
(37)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
51
Transistors bipolaires /8
• Dépendance en température du gain en courant d’un BJT Si:
μnND,ELp
(
) (
⎛ EgE − ΔEgEapp − EgB − ΔEgBapp
exp⎜⎜
βSi =
μpNA,B WB
kT
⎝
) ⎞⎟
⎟
⎠
(38)
Dans le cas d’un BJT, la nature des matériaux utilisés dans la base et l’émetteur est la même,
cependant l’émetteur étant plus fortement dopé que la base, le phénomène de réduction
apparente de l’énergie de gap est donc plus prononcé dans l’émetteur que dans la base:
EgE = EgB = EgSi et ND,E >> NA,B donc ΔEgEapp >> ΔEgBapp
μnND,EL p
⎛ ΔEgEapp ⎞
⎛ ΔEgEapp ⎞
⎟⎟ soit βSi (T ) ∝ exp⎜⎜ −
⎟⎟ avec ΔEgEapp > 0
βSi ≈
exp⎜⎜ −
μpNA,B WB
kT ⎠
kT ⎠
⎝
⎝
(39)
(40)
Par conséquent, le gain en courant d’un transistor bipolaire à homo-jonction classique sur
silicium décroît exponentiellement à température décroissante
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
52
Transistors bipolaires /9
• Dépendance en température du gain en courant d’un HBT SiGe:
Un transistor bipolaire à hétéro-jonction SiGe subit le même phénomène lié au fort dopage de
l’émetteur, en revanche dans l’expression du gain en courant figure, sous l’exponentielle, un
terme supplémentaire qui correspond à la différence entre l’énergie de gap de l’émetteur et celle
de la base
app
⎛ EgE,Si − ΔEgEapp
⎞
μnND,EL p
,Si − EgB,SiGe − ΔEgB,SiGe
⎟
βSiGe =
exp⎜⎜
(41)
⎟
μpNA,B WB
kT
⎝
⎠
(
) (
)
app
EgE,Si − EgB,SiGe = ΔEgSi−SiGe > 0 et ND,E >> NA,B donc ΔEgEapp
,Si >> ΔEgB,SiGe
βSiGe
(42)
⎛ ΔEgSi−SiGe − ΔEgEapp
⎞
⎛ ΔEgSi−SiGe − ΔEgEapp
⎞
,Si
,Si
⎟ soit βSiGe (T ) ∝ exp⎜
⎟ (43)
≈
exp⎜⎜
⎟
⎜
⎟
μpNA,B WB
kT
kT
⎝
⎠
⎝
⎠
μnND,EL p
Lorsque la quantité de Ge incorporée dans la base est suffisante pour compenser la réduction
apparente du gap dans l’émetteur (c’est le cas pour la plupart des technologies modernes), le
comportement du transistor est radicalement opposé à celui d’un classique BJT puisque son
gain en courant croît exponentiellement à température décroissante [TIA-05] [PRE1-06]
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
53
Transistors bipolaires /10
• Amplification en tension, montage émetteur commun:
Dans le cadre d’une amplification en tension, le premier paramètre à prendre en compte est la
transconductance gm, elle détermine le gain en tension AV d’un montage émetteur commun:
AV =
vout
I
∂I
= −gm × RL avec gm = C = C
vin
∂VBE kT q
(44)
Ainsi, en supposant la résistance de charge RL indépendante de la température et pour un courant
de collecteur IC fixé, le gain en tension, qui dépend directement de la température au travers de la
transconductance, doit donc croître, en théorie d’un facteur 4 de 300K à 77K et d’un facteur 70 de
300K à 4,2K
• Paramètre d’ajustement de la transconductance:
gm =
IC
avec α ≈ de 1 à 2 à 77K et de 10 à 20 à 4,2K typiqueme nt
αkT q
(45)
Dans la pratique, il s’avère que l’accroissement de la transconductance est moindre, aussi, pour
tenir compte de cette évolution, de la même manière qu’il est d’usage d’affecter à la tension VT
dans l’expression de IC un facteur d’idéalité pour traduire les effets de faible ou de forte injection,
on peut remplacer ce facteur par un paramètre d’ajustement global α permettant en outre
d’intégrer les effets liés à la température [PRE1-06]
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
54
Transistors bipolaires /11
• Impédance différentielle d’entrée et gain en courant:
Toujours dans le cadre d’une amplification en tension, le second paramètre à prendre en
considération est l’impédance différentielle d’entrée h11, qui doit être grande devant l’impédance
de la source, ce paramètre subit directement la dépendance en température du gain en courant:
h11 =
∂VBE ∂VBE ∂IC
β
=
×
=
∂IB
∂IC ∂IB gm
(46)
En particulier, une étude menée sur le classique BJT Si 2N2222A du commerce [PRE2-06]
montre, qu’en raison de la forte décroissance du gain en courant, l’impédance différentielle
d’entrée passe d’une valeur de l’ordre du kilo-ohm à 300K à une centaine d’ohms à 77K ce qui
reste malgré tout compatible avec l’utilisation de sources très basses impédances (<<100Ω)
comme celles que présentent les capteurs à supraconducteurs
En revanche, à 4,2K, contrairement aux HBT SiGe, les BJT classiques sur Si ne sont plus
exploitables: leur β<<1 cause une réduction trop importante de leur h11 et court-circuite, via le
diviseur de tension en entrée constitué de RBi et h11, l’attaque en tension (h11<<RBi), l’effet est
d’autant plus marqué que le phénomène de gel des porteurs augmente considérablement la
résistance intrinsèque de base en raison de son faible dopage
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
55
RESULTATS DE CARACTERISATIONS:
Comportement de la technologie
BiCMOS SiGe 0,35µm d’AMS à 4,2K
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
56
Transistors HBT SiGe /1
• Transconductance et facteur d’ajustement:
- Les résultats présentés [PRE1-06] ont été obtenus sur un transistor bipolaire de la technologie
BiCMOS SiGe 0,35µm d’une aire AE=8µm×0,4µm=3,2µm2
- Les valeurs mesurées de la transconductance à 77K et 4,2K sont plus faibles que celles
estimées à partir de la théorie, on en déduit un facteur d’ajustement α compris entre 1 et 2 à 77K
et entre 10 et 20 à 4,2K
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
57
Transistors HBT SiGe /2
• Gummel plot:
Le Gummel plot s’obtient en appliquant une même tension sur la base et sur le collecteur du
transistor, les courants IB et IC mesurés indépendamment sont ensuite représentés sur une même
échelle semi-logarithmique en fonction de la tension VBE ce qui permet d’extraire la
transconductance (pente de IC), le gain en courant (écart entre IC et IB) et de mettre en évidence
les différents régimes de fonctionnement
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
58
Transistors HBT SiGe /3
• Gain en courant:
Contrairement à la technologie BiCMOS SiGe 0,8µm d’AMS, pour laquelle visiblement la quantité
de Ge introduite dans la base ne permettait pas de compenser la réduction apparente du gap dans
l’émetteur, la technologie BiCMOS 0,35µm d’AMS présente un comportement radicalement
opposé avec un gain en courant qui globalement croît à température décroissante
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
59
Transistors HBT SiGe /4
• Impédance différentielle d’entrée:
L’augmentation du gain en courant à basse température et en particulier à 77K permet de
bénéficier d’une impédance différentielle d’entrée suffisante, 10kΩ à 4,2K pour un courant de
collecteur de 1mA, dans le cadre d’une amplification en tension [PRE3-06] [PRE4-06]
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
60
Transistors HBT SiGe /5
• Caractéristique de sortie:
On constate la présence d’une zone à résistance différentielle négative, particularité que l’on
retrouve dans certains composants exploitant l’effet tunnel, ainsi qu’un décalage de 300mV de la
caractéristique qui peut s’expliquer par une augmentation des recombinaisons dans la base à très
basse température [MAL-01]: ces recombinaisons absorbent tout le courant de base, interdisant
l’apparition de l’effet transistor tant que la tension VCE n’est pas suffisante pour propulser les
électrons de l’émetteur vers le collecteur
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
61
Transistors MOS /1
• Caractéristiques statiques d'un transistor NMOS (W/L=5µm/0,5µm):
De 300K à 4,2K, l’augmentation de la tension de seuil est d’environ 300mV, les caractéristiques de
sortie relevées à très basse température sont entachées de discontinuités en forme de marches
d’escalier (kink effect), et ce, à partir de VDS≈1,6V, elles sont également précédées d’un léger
phénomène d’hystérésis
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
62
Transistors MOS /2
• Transconductance (transistor NMOS W/L=5µm/0,5µm):
Pour ce même transistor, de 300K à 4,2K, on observe une augmentation de la transconductance
de l'ordre de 55% en régime de forte inversion (VGS=2V)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
63
Transistors MOS /3
• Caractéristiques statiques d'un transistor PMOS (W/L=15µm/0,5µm):
Contrairement au transistor NMOS, les caractéristiques de sortie ne présentent ici pas de
discontinuités, on note un accroissement de la tension de seuil du PMOS d’environ 600mV lorsque
la température est abaissée de 300K à 4,2K, soit le double de variation que celle observée sur le
NMOS
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
64
Eléments passifs
• Caractérisation à 4,2K:
- De 300K à 4,2K, la résistance d’une piste d’accès diminue d’un facteur 10 et de 3 pour la valeur
d’une capacité poly-Si/poly-Si, on peut donc s’attendre à une forte réduction des résistances et
des capacités parasites d’interconnexion
- Les coefficients de variation en température des résistances poly-Si et poly-Si hautement
résistives sont de signes opposés (on note un comportement métallique pour Rpoly2), de 300K à
4,2K la valeur de la résistance Rpolyh varie 2 fois plus que celle de la Rpoly2
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
65
Résistances Poly-Si
• Caractérisation du bruit "en 1/f":
- La composante de bruit basse fréquence d’une résistance de valeur R et d’aire A, parcourue par
un courant I peut être modélisée par une densité spectrale de bruit en tension:
e
2
nR,1 / f
R 2I2
KF
= KF ×
avec KF = A
f
A
(47)
- Indépendamment de la surface (paramètre KFA), la résistance poly-Si hautement résistive
(Rpolyh) présente un bruit "en 1/f" 5 fois plus important (en puissance) qu’une résistance poly-Si
classique (Rpoly2) à 300K et 15 fois à 4,2K
- Le bruit "en 1/f" des résistances intégrées diminue à basses températures: de 300K à 4,2K, la
décroissance est 3 fois plus importante, en terme de puissance, pour les Rpoly2 que pour les
Rpolyh
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
66
Exemple de réalisation:
Circuit d’amplification et de multiplexage
pour la lecture d’une matrice de TES au
moyen de SQUID
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
67
Observation du CMB
• Contexte:
- Il s’agit d’une collaboration LISIF/APC pour la mise en œuvre d’une instrumentation destinée à
l’observation du fond diffus cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background)
- Ce travail s’intègre dans le cadre du programme DCMB (Développement Concerté de Matrices
de Bolomètres) initié par le CNES
• Les objectifs:
- Les bolomètres à supraconducteurs (TES) très basse température critique (≈300mK) permettent
d’atteindre, dans le domaine des ondes millimétriques et submillimétriques, la limite ultime liée au
bruit de photon du rayonnement observé
- L’amélioration de la sensibilité des instruments utilisés pour la mesure de la polarisation du CMB
nécessite d’augmenter considérablement le nombre de capteurs
- La lecture d’une grande matrice de TES requiert une électronique ultra bas bruit d’amplification et
de multiplexage, l’utilisation d’un premier étage à SQUID s’impose donc naturellement [CHE-99]
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
68
SQUID et FLL
• Linéarisation de la caractéristique d’un SQUID:
La linéarisation de la caractéristique d’un SQUID permet d’accroître la dynamique du signal
d’entrée Φin, elle nécessite la mise en œuvre d’une boucle à verrouillage de flux (FLL pour Flux
Locked Loop) qui comprend un amplificateur de tension de gain élevé
Afin de préserver les performances en bruit du SQUID, l’amplificateur doit présenter une tension
équivalente de bruit en entrée de l’ordre de la fraction de nV/√Hz [PIA-06]
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
69
ASIC fonctionnant à 4,2K
Nous avons développé un ASIC, en technologie
standard BiCMOS SiGe 0,35µm d’AMS, qui permet la
lecture d’un démonstrateur constitué d’une matrice de
2 colonnes de 4 SQUID chacune:
- Le premier étage de lecture des TES, constitué de
l’association en série de SQUID que l’on vient
polariser tour à tour, réalise un premier multiplexage
en ligne
- L’ASIC comporte les amplificateurs nécessaires à la
mise en œuvre des SQUID, le système de
multiplexage qu’il reste à effectuer entre chaque
colonne de SQUID ainsi que les sources de courant
de polarisation des SQUID et le circuit numérique
d’adressage de l’ensemble de la matrice [PRE5-06]
[PRE6-06]
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
70
Amplificateur cryogénique /1
• Choix de la structure et détermination du point de fonctionnement:
Nous avons retenu une structure différentielle à charges résistives car elle autorise, au moyen de
sources externes et notamment celle de courant de polarisation, un réajustement du point de
fonctionnement si la dérive en température des caractéristiques des composants le nécessite
Initialement, le point de fonctionnement est déterminé à partir des résultats expérimentaux
collectés au préalable:
- La valeur du courant de polarisation IC pour les transistors de la paire différentielle est choisie en
fonction des objectifs fixés en terme des performances en bruit (cf. eq.49)
- La valeur de la résistance de charge RL est déterminée en fonction du gain en tension (cf. eq.48)
et du mode commun en sortie souhaités (la dynamique dans une moindre mesure car l’amplitude
des signaux à ce niveau reste faible)
- Les dimensions des transistors de la paire différentielle sont obtenues à partir du Gummel plot
représenté en densité de courant, on se place dans une zone idéale: entre le régime de faible et
de forte injection, là où le gain en courant est maximum, en évitant les zones de discontinuités
Enfin, chacune des sorties de la paire différentielle est suivie d’un étage à collecteur commun afin
de sortir les signaux sous basse impédance
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
71
Amplificateur cryogénique /2
• Architecture du multiplexage temporel:
La fonction de multiplexage temporelle est généralement réalisée à l’aide d’interrupteurs MOS:
- Cette solution ne peut être retenue dans le cadre d’une application bas bruit, l’amplification doit
avoir lieu avant le passage par ces interrupteurs, sources potentielles d’un bruit important
- Par ailleurs, la mise en œuvre de N amplificateurs pour la lecture de N voies n’est pas compatible
avec la réalisation d’une grande matrice en terme de consommation dans le cadre d’une
application cryogénique
Afin de s’affranchir des interrupteurs sur le chemin du signal, une solution consiste à commuter les
sources de courant de polarisation qui alimentent les N paires différentielles connectées à une
charge résistive commune:
Cette solution permet de disposer des performances d’un amplificateur cryogénique ultra bas bruit
tout en bénéficiant d’un système de multiplexage faible consommation
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
72
Schéma de l’amplificateur multiplexé
• Gain en tension:
RI
voutp − voutn
=− LC
(48)
vin
αkT q
• DSP équivalente de bruit en tension
ramenée en entrée dans la zone de
bruit blanc:
2
⎡
⎛
⎛ kT q ⎞ ⎞⎤
α
2
⎟⎟ ⎟⎥
⎜⎜
enIN = 2⎢4kT ⎜⎜ RBi +
(49)
⎟
2
I
C
⎥
⎢⎣
⎠
⎝
⎠⎦
⎝
• Performances estimées en fonction
de la température:
A Vdiff =
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
73
Dimensionnement des transistors
• Dimensionnement des transistors des paires différentielles:
Le circuit étant destiné à être alimenté sous une tension de 5V, notre choix s’est porté sur des
transistors NPN143h5 prévus à cet effet, ils possèdent en outre quatre accès à la base et trois à
l’émetteur, leur dimensionnement a été déterminé à partir des Gummel plots relevés pour deux
transistors NPN143h5 d’aires 1,92µm2 (traits fin) et 192µm2 (traits épais): en densité de courant,
leurs comportements sont comparables ce qui permet d’extrapoler ces résultats pour des
transistors de surfaces intermédiaires
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
74
Mesures /1
• Performances de l’amplificateur:
- L’amplificateur est alimenté sous Vdd=5V, polarisé par un courant externe de Ibias=1mA et
consomme une puissance de P≈15mW
- Entre 1kHz et 1MHz le gain en tension mesuré en mode différentiel est de 40 (32dB) à 300K,
180 (45dB) à 77K et un peu plus de 250 (48dB) à 4,2K
- Dans cette même bande fréquence, la tension équivalente de bruit thermique ramenée en
entrée décroît de 1,4nV/√Hz à l’ambiante à 0,5nV/√Hz à 77K et 0,2nV/√Hz à 4,2K
- Le bruit basse fréquence, très conséquent, résulte du bruit "en 1/f" des résistances de charges
intégrées en poly-Si hautement résistif (caractérisées après coup) alors que la contribution des
HBT n’est attendue qu’en dessous du kilohertz
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
75
Mesures /2
• Tension équivalente de bruit ramenée en entrée de l’amplificateur:
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
76
Mesures /3
• Réalisation d’une FLL:
- L’amplificateur refroidi associé à un SQUID (CS Blue Supracon) nous a permis de réaliser une
FLL et d’obtenir un gain en tension de 80000 pour un capteur d’une impédance de 1Ω (équivalente
à celle d'un TES) placé en entrée du SQUID
- Dans cette configuration on est capable de mesurer le bruit thermique d’une résistance de 47Ω à
4,2K soit le bruit intrinsèque d’un TES d’1Ω à 300mK (4pV/√Hz)
(a) Canne cryogénique utilisée pour
les tests à 4,2 K
(b) Signaux en entrée du SQUID et en
sortie de l’amplificateur SiGe en
boucle ouverte: Φin > 2×Φo
(c) Linéarisation de la caractéristique
du SQUID par la FLL constituée de
l’association, à 4,2K, de l’amplificateur
SiGe et du SQUID rebouclés
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
77
Mesures /4
• Multiplexage de l’amplificateur:
- Le bon fonctionnement à 4,2K du circuit de commande à transistors MOS qui réalise l’adressage
des amplificateurs et des sources de courant cadencées par le signal d’horloge a tout d’abord été
vérifié avec succès
- La fonction de multiplexage de l’amplificateur a été ensuite testée en appliquant deux signaux de
fréquences différentes sur chacune des entrées: on mesure en sortie ces signaux amplifiés tour à
tour au rythme du signal enable
- La matrice de 2×4 SQUID peut être ainsi lue, les tests sont en cours
Visualisation de la sortie de
l’amplificateur pour deux signaux
d’entrées (200 Hz et 500 Hz)
avec une fréquence d’horloge de
20 kHz (soit un signal enable à
2.5 kHz pour 8 pixels)
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
78
CONCLUSION:
Quid de l’utilisation de technologies standard
pour des applications cryogéniques
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
79
Conclusion
• L’utilisation de technologies standard CMOS Si ou BiCMOS SiGe pour des applications
cryogéniques à 77K, voire 4,2K, semble donc envisageable mais requiert une étape
incontournable de caractérisation expérimentale préalable:
Si le fonctionnement à 77K des transistors MOS ou bipolaires SiGe ne suscite pas de difficultés
majeures et permet même de bénéficier d'un accroissement des performances globales, en
revanche, l'utilisation de ces mêmes transistors à 4,2K n'a rien de trivial, en particulier, le
phénomène de gel des porteurs conduit à des dysfonctionnements qui peuvent s'avérer critiques
et que seule une caractérisation préalable permet de mettre en évidence
Par ailleurs, cette phase est le plus souvent rendue indispensable pour passer à l’étape de la
conception car, faute de pouvoir disposer de modèles de simulation valides et à défaut de les
développer, les résultats de caractérisation permettent d’extrapoler ceux obtenus par simulation à
l’ambiante pour prédire un fonctionnement à basse température
• La technologie BiCMOS SiGe, notamment la 0,35µm d’AMS, semble être le meilleur
candidat:
Polyvalente, puisqu’elle offre la possibilité de concevoir des circuits mixtes à forte densité
d’intégration, compatible avec des applications basse consommation, elle dispose en outre, pour
l’analogique, de transistors bipolaires à hétéro-jonction SiGe aux performances accrues à basses
températures et enfin son coût reste faible comparativement aux technologies AsGa
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
80
Bibliographie /1
• Ouvrages de références:
[SZE-81] S. SZE. : “Physics of Semiconductor devices”, 1981, New York : Wiley and Sons
[LAK-94]
K. R. Laker et W. M. C. Sansen : “Design of analog integrated circuits and systems”, 1994, New York : Mac Graw Hill
• Thèses:
[TIA-05]
Tianbing Chen : “Operation of SiGe BiCMOS Technology Under Extreme Environments” PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, 28
Nov 2005
[PRE1-06] Damien Prêle : “Instrumentation cryogénique bas bruit et large bande en technologie SiGe“ Thèse, Paris 6 - LISIF, 2006
[FAB-02] Fabrice Voisin “Intégration d’une électronique cryogénique à faible niveau de bruit sous la forme de circuits ASIC en technologie CMOS pour
la mise en oeuvre de détecteurs bolométriques à supraconducteurs HTC“ Thèse, Paris 6 - LISIF, 2002
• Articles:
[GHI-95]
G. Ghibaudo, F. Balestra : "Low temperature characterization of silicon CMOS devices" 20th International Conference on
Microelectronics, 12-14 Sep 1995 Proceedings, Vol.2, 613-622
[CLA-92] W. F. Clark, B. El-Kareh, R.G. Pires, S.L. Titcomb, R.L. Anderson : "Low temperature CMOS-a brief review" IEEE Transactions on
Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, June 1992, Vol.15, Issue 3, 397-404
[KRI-06]
R. Krithivasan, Y. Lu, J. D. Cressler, J. S. Rieh, M. H. Khater, D. Ahlgren : "Half-Terahertz Operation of SiGe HBTs" IEEE Electron Device
Letters, July 2006, Vol. 27, No.7, 567-569
[OHT-04] OHTA Hiroshi and MATSUI Toshiaki : "Mobile Whole-head SQUID System of SNS Junctions in a Superconducting Magnetic Shield"
Journal of the National Institute of Information and Communications Technology, 2004, Vol.51, Nos.1/2, 103-111
[MAY-03] T. May, V. Zakosarenko, R. Boucher, E. Kreysa and H-G. Meyer : “ Superconducting bolometer array with SQUID readout for
submillimeter wavelength detection” Superconductor Science and Technology, 2003, Vol.16, 1430-1433
[KIV-06]
M. Kiviranta : "Use of SiGe bipolar transistors for cryogenic readout of SQUID" Superconductor Science and Technology, 2006, Vol.19,
1297-1302
[KIR-90]
Randall K. Kirschman : “Low-Temperature Electronics” IEEE Circuits and Devices Magazine, March 1990, Vol.6, No.2, 12-24
[ALE-95]
A. Alessandro, C. Brofferio, D. V. Camin, O. Cremonesi, A. Giuliani, A. Nucciotti, M. Pavan, G. Pessina and E. Previtali : "Cryogenic,
monolithic, differential GaAs preamplifier for bolometric detectors" Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, 1995, A360, 186-188
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
81
Bibliographie /2
[CAM-96] D. V. Camin and G. Pessina "Cryogenic ASICs in GaAs for applications with particle detectors" Proc. 2nd European Workshop on Low
Temperature Electronics, C. Clayes and E. Simoen Eds. (Editions de Physique, France, 1996), Louvain June 1996, 225-230
[YOS-05] N. Yoshikawa, T. Tomida, M. Tokuda, Q. Liu, X. Meng, S.R. Whiteley, T. Van Duzer : "Characterization of 4 K CMOS devices and circuits for
hybrid Josephson-CMOS systems" IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 2005, Vol.15, 267-271
[FIL-01]
I. M. Filanovsky and A. Allam : "Mutual Compensation of Mobility and Threshold Voltage Temperature Effects with Applications in CMOS
Circuits" IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Fundamental Theory and Applications, July 2001, Vol.48, No.7, 876-884
[MAN-95] T. Manku and Y. Wang : "Temperature-Independent output voltage generated by Threshold Voltage of an NMOS Transistor" Electronics
Letters, 8th June 1995, Vol.31, No.12, 935-936
[SH0-89]
F. S. Shoucair : "Analytical and Experimental Methods for Zero-Temperature-Coefficient Biasing of MOS Transistors" Electronics Letters,
17th August 1989, Vol.25, No.17, 1196-1198
[DIE-88]
B. Dierickx, L. Warmerdam, E.R. Simoen, J. Vermeiren, C. Claeys : “Model for hysteresis and kink behavior of MOS transistors operatingat
4.2 K” IEEE Transactions on Electron Devices, July 1988, Vol.35, Issue 7, 1120-1125
[SIM-89]
E. Simoen, B. Dierickx, L. Warmerdam, J. Vermeiren, C. Claeys : “Freeze-out effects on NMOS transistor characteristics at 4.2 K” IEEE
Transactions on Electron Devices, June 1989, Vol.36, Issues 6, 1155-1161
[SIM-90]
E. Simoen, B. Dierickx and C. Claeys : “Analytical model for the kink in nMOSTs operating at liquid helium temperatures (LHT)” Solid-State
Electronics, 1990, Vol.33, No.4, 445-454
[SIM-93]
E. Simoen and C. Claeys : “The hysteresis and transient behaviour of Si metal-oxide-semiconductor transistors at 4.2K. I. The kink-related
counterclockwise hysteresis regime” Journal of Applied Physics, March 1993, Vol.73, No.6, 3068-3073
[HAF-90] I.M. Hafez, G. Ghibaudo, F. Balestra : “Analysis of the kink effect in MOS transistors” IEEE Transactions on Electron Devices, March 1990,
Vol.37, Issue 3, 818-821
[MER-05] P. Merken, C. Van Hoof, T. Souverijns, Y. Creten and J. Putzeys : "Low noise, low power sensor interface circuits for spectroscopy in
standard CMOS technology operating at 4 K“ Presented at: 1st International Symposium on Disruptive Technologies. (4-7 July 2005; France)
[CRE-02] Y. Creten, O. Charlier, P. Merken, J. Putzeys, C. Van Hoof : “A 4.2 K readout channel in a standard 0.7 µm CMOS process for a
photoconductor array camera” Proceedings of the 5th European Workshop on Low Temperature Electronics, 2002, 203-206
[BUH-69] D. Buhanan : "Investigation of current-gain temperature dependence in silicon transistors" IEEE Transactions on Electron Devices, Jan 1969,
Vol.16, 117-124
[HAN-86] H. Hanamura, M. Aoki, T. Masuhara, O. Minato, Y. Sakai, T. Hayashida : ”Operation Operation of bulk CMOS devices at very low
temperatures” IEEE Journal of Solid-State Circuits, June 1986, Vol.21, Issue 3, 484-490
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
82
Bibliographie /3
[CRE-05] J.D. Cressler : “On the potential of SiGe HBTs for extreme environment electronics” Proceedings of the IEEE, Sept. 2005, Vol.93, Issue 9,
1559-1582
[TAN-80] D. D. Tang : "Heavy Doping Effects in p-n-p Bipolar Transistors" IEEE Transactions on Electron Devices, March 1980, Vol.27, No.3, 563-570
[DUM-81] W. Dumke : "The Effect of Base Doping on the Performance Si Bipolar Transistors at Low Temperatures" IEEE Transactions on Electron
Devices, May 1981, Vol.ED-28, No.5, 494-500
[ALA-85]
J. del Alamo, S. Swirhun, and R. M. Swanson : "Measuring and Modeling Minority Carrier Transport in Heavily Doped Silicon" Solid-State
Electronics, January/February 1985, Vol.28, 47-54
[PRE2-06] D. Prêle, G. Sou, G. Klisnick and M. Redon : “Bipolar Transistor Amplification Abilities At Liquid Nitrogen Temperature” Seventh International
Workshop on Low Temperature Electronics, WOLTE-7, 21-23 June 2006, ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands. ESA, WPP-264, 73-76
[PRE4-06] D. Prêle, G. Klisnick, G. Sou, M. Redon, F. Voisin, E. Bréelle et M. Piat : “Accroissement de l’Amplification en Tension à Température
Cryogénique” CNES-CCT Atelier Electronique Cryogénique, 14-15 Juin 2006, IAS, Toulouse
[MAL-01] S. P. McAlister, W. R. McKinnon, et R. Driad : “Interpretation of the Common-Emitter Offset Voltage in Heterojunction Bipolar Transistors”
IEEE Trans. Electron Devices, Aug.2001, Vol.48, No.8, 1745-1747
[PRE3-06] D. Prêle, G. Sou, G. Klisnick, M. Redon and E. Bréelle : “SiGe Heterojunction Bipolar Transistor Operated At Liquid Helium Temperature,”
Seventh International Workshop on Low Temperature Electronics, WOLTE-7, 21-23 June 2006, ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands.
ESA, WPP-264, 83-86
[CHE-99] J. A. Chervenak, K. D. Irwin, E. N. Grossman, John M. Martinis and C. D. Reintsema : “Superconducting multiplexer for arrays of transition
edge sensors” Applied Physics Letters, June 1999, Vol.74, No.26, 4043-4045
[PIA-06]
M. Piat, E. Bréelle, F. Voisin, D. Prêle, G. Klisnick, G. Sou et M. Redon : “Architecture et dimensionnement de l’électronique de la chaîne de d
étection d’une matrice de bolomètres” CNES-CCT Atelier Electronique Cryogénique, 14-15 Juin 2006, IAS, Toulouse
[PRE5-06] D. Prêle, G. Sou, G. Klisnick, M. Redon and E. Bréelle, M. Piat, and F. Voisin : “Cryogenic SiGe Hetero-Junction Bipolar Transistors from
Standard Technologies for Low Noise FLL” 13th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, ICECS-2006, 10-13
Dec. 2006, Nice, France, ISBN I-4244-0395-2, IEEE Catalog Number : 06EX1382, 525-528
[PRE6-06] D. Prêle, G. Klisnick, G. Sou, M. Redon and F. Voisin, E. Bréelle, and M. Piat : “Standard SiGe Technologies Operating at 4 K for Front-End
Readout of SQUID Arrays” 8th International Conference on Solid-State and Integrated-Circuit Technology, ICSICT-2006, Oct. 23-26, 2006,
Shanghai, China, ISBN I-4244-0160-7, IEEE Catalog Number : 06EX1294, 191-193
Fabrice Voisin : "Microélectronique Cryogénique pour instrumentation bas bruit“, Porquerolles 2007
83