Accroissement de l`Amplification en Tension à
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Accroissement de l’Amplification en Tension à Température Cryogénique à l’Aide de Transistors Bipolaires D. Prêle*, G. Klisnick*, G. Sou*, M. Redon*, E. Bréelle**, F. Voisin**, M. Piat** *Laboratoire des Instruments et Systèmes d’Île de France (LISIF) **Laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC) Atelier Electronique Cryogénique (CNES-CCT) 14 juin 2006, IAS, Toulouse [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 1 Introduction • Ce que l’on dit souvent : – I BJT Silicium ↓ à température cryogénique. – I HBT SiGe peut ↑ à température cryogénique. • Ce que l’on oublie souvent de dire : – gm (gain en tension) ↑ à température cryogénique pour un HBT comme pour un BJT. [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 2 Théorie du β • Bipolar Collector Current ⎛ Eg ( Emetteur ) − Eg ( Base) ⎞ ⎛ ΔE g ⎞ β ∝ exp ⎜ ⎟ = exp ⎜ ⎟ kT ⎝ ⎠ ⎝ kT ⎠ • BJT Silicium ΔEgSi = Eg , SiHighDope − Eg , Si < 0 • HBT SiGe ΔEg , SiGe = Eg , SiHighDope − Eg , SiGe > ΔEg , Si [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 3 Théorie du gm ⎛ VBE ⎞ I C = I C 0 . exp ⎜ ⎟ ⎝ k BT / q ⎠ ∂I C q.I C = gm = ∂VBE k B .T [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 4 Émetteur Commun Gain en tension : AV = gm.RC Av * 4 à 77 K Av * 70 à 4.2 K [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 5 En Pratique 50 AV = |vo/vi| (dB) 40 77 K 7 dB 30 20 300 K SiGe (aire : 8 µm²) Gain en tension 10 Ic = 1 mA (limite forte injection) Rc = 1 kΩ 0 100 1 000 10 000 100 000 frequency (Hz) [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 6 Utilisation différentielle des mesures statiques 50 50 HBT2 (2µm*0,8µm) 40 30 30 Av (dB) calcul Ic/Ib ∆Ic/∆Ib ∆Ic/∆Vbe ∆Vbe/∆Ib ∆Vce/∆Vbe Ic/gm 40 20 10 20 10 0 0 0 0,5 1 1,5 Ic (mA) 2 2,5 0 50 0,5 1 1,5 Ic (mA) 2 2,5 50 BJT1.2 (aire>100µm*100µm) 2N2222A 40 40 30 30 Av (dB) unité S Ω V Av (dB) paramètre βdc βac gm h11 Av ηΨ Av (dB) HBT10 (10µm*0,8µm) 20 small signal AC @ 300 K 20 small signal AC @ 77 K extracted DC @ 300 K 10 10 extracted DC @ 77 K 0 0 0 [email protected] 0,5 1 1,5 Ic (mA) 2 Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 2,5 0 0,5 1 1,5 Ic (mA) 2 7 2,5 Gain en tension 300 K -> 77 K 60 |Av| 50 240 |Av| 200 300 K HBT10 HBT2 BJT1.2 2N2222A 40 30 120 20 80 10 40 0 0 0,5 [email protected] 1 Ic (mA) 1,5 HBT2 BJT1.2 2N2222A RcIc*q/kT 160 RcIc*q/kT 77 K HBT10 0,5 Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 1 Ic (mA) 8 1,5 Gain en courant (max) DUT βAC @ 300 K βAC @ 77 K β(77K)/ β(300K) % of loss HBT10 75 44 0.59 41 % HBT2 60 35 0.59 41 % BJT1.2 65 7 0.11 89 % 2N2222A 226 36 0.16 84 % [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 9 Impédance d’entrée (Ic = 1mA) h11 (Ω) 300 K 77 K 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 HBT10 [email protected] HBT2 BJT1.2 Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 2N2222A 10 Gain en puissance (Av.β avec Rc = 1 kΩ) 5000 2000 HBT2 4000 Power Gain Ap Power Gain Ap HBT10 3000 2000 300 K 77 K 1000 0 1600 1200 800 300 K 77 K 400 0 0,5 1,0 Ic (mA) 1,5 0,5 1000 Ic (mA) 1,5 15000 BJT1.2 2N2222A 800 600 Power Gain Ap Power Gain Ap 1,0 300 K 77 K 400 200 0 12000 9000 6000 3000 300 K 77 K 0 0,5 [email protected] 1,0 Ic (mA) 1,5 0,5 Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 1,0 Ic (mA) 1,5 11 BJT ou HBT pour une application à 77 K – gm (gain en tension) ↑ à température cryo. pour nos HBTs comme pour les BJTs. – I (gain en courant) ↓ à température cryo. pour nos HBTs comme pour les BJTs. – h11 (impédance d’entrée) ↓ à température cryo. pour nos HBTs comme pour les BJTs. – Gain en puissance ↑ à température cryo. pour nos HBTs alors qu’il ↓ pour les BJTs. – Et en dessous de 77 K ? [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 12 SiGe HBT à 4.2 K • Le 2N2222A ne fonctionne plus à 4.2 K • Test de techno standard SiGe d’AMS : – Techno SiGe BiCMOS 0.8 µm – Techno SiGe BiCMOS 0.35 µm [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 13 1E-3 Gummel Plot (Vbe=Vce) (A/µm²) Jc 100E6 HIGH INJECTION REGION HBT10 Jc Jc Jb 10E-6 Jb Jb 1E-6 293 K IDEAL REGION 100E9 77 K 4.2 K 10E-9 NON IDEAL REGION 1E-9 0,5 0,6 [email protected] 0,7 0,8 Vbe = Vce 0,9 Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 1 1,1 (V) 14 Gain en courrant (0.8µm) 100 AC Current Gain 80 HBT0.8 Aire normalisée à 1 µm² Vbc = 0 V 300 K 60 40 77 K 4K 20 0 10 E-9 100 E-9 1 E-6 10 E-6 100 E-6 Collector Current (A) [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 15 Gain en courrant (0.35µm) 2000 AC Current Gain 1600 HBT0.35 Aire normalisée à 1 µm² Vbc = 0 V 77 K 1200 4K 800 Oscillations ? 400 0 10 E-9 300 K 100 E-9 1 E-6 10 E-6 100 E-6 Collector Current (A) [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 16 Transconductance HBT0.8 z HBT0.35 Transconductance (S) 1 E-3 8 E-4 Ic.q/kT 6 E-4 77 K 4 E-4 2 E-4 0 E+0 0 E+0 4K 300 K 1 E-6 2 E-6 3 E-6 4 E-6 5 E-6 Collector Current (A) [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 17 Facteur d’ajustement (Idéalité) Adjustment Factor 100 q.I C α= / gmmesuré k B .T HBT0.8 z HBT0.35 4K 10 77 K 1 100 E-9 300 K 1 E-6 10 E-6 Collector Current (A) [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 18 Pourquoi gm n’est pas proportionnel à 1/T ? • Effets de forte injection (Kirk effect, Webster-Rittner effect, resistance parasites/intrinsèques…) – Solution : travailler à plus faible courant ou avec un transistor d’aire plus grande) – Réduire les résistances parasites : ∂IC IC /ψ gm = = I ∂VB ' E ' 1+ C .R ' avec α = 1 et β + 1) .REE ' RBB ' ( + R' = ψ [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 β β 19 Effet de R’=10Ω (1+R’Ic/Ψ) à 4 K 100 α HIGH INJECTION REGION HBT10 4.2 K 10 IDEAL REGION R' effect 1 1E-7 [email protected] 77 K 1E-6 1E-5 Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 293 K Ic (A) 1E-4 20 Température effective • À faible courrant le facteur d’ajustement n’est plus dépendant de Ic. • Le transistor fonctionne comme s’il était à plus haute température : – α = 10 à 4 K -> Teffectif = 40 K – Transport quasi balistic -> porteurs à plus haute température que le réseaux : • D. M. Richey, A. J. Joseph, J. D. Cressler, and R. C. Jaeger, “Evidence for Non-Equilibrium Base Transport in Si and SiGe Bipolar Transistors At Cryogenic Temperatures,” Solid-State Electronics, vol. 39, no. 6, Pergamon-Elsevier, pp. 785-789, 1996. [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 21 Offset du Vce à 4 K 8E-4 300 K HBT10 Collector Current (A) (Ib = 10 µA) 6E-4 77 K 4E-4 4K 2E-4 Vce Offset 0E+0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Collector-Emitter Voltage (V) [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 22 Résistance différentielle négative (NDR) sur la caractéristique Ic(Vce) 8E-4 HBT10 Ib = 30 µA Collector Current (A) (T = 4 K) Ib = 20 µA 4E-4 0E+0 0,15 NDR effect Ib = 10 µA 0,25 0,35 Collector-Emitter Voltage (V) [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 23 NDR moins marqué à plus faible courant 16 µA Ib = 20 nA Collector Current HBT0.35 at 4 K 12 µA NDR Ib = 15 nA 8 µA effect Ib = 10 nA 4 µA 0 µA 0,0 V [email protected] Vce offset 0,2 V 0,4 V 0,6 V Collector-Emitter Voltage Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 0,8 V 1,0 V 24 NDR : effet tunnel dans la base ? [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 25 Conclusion • Quelque soit le transistor bipolaire, on peut s’attendre à un accroissement de l’Amplification en tension à basse température. • Pour une application jusqu’à 4 K, une techno standard SiGe continue de fonctionner. [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 26 Réalisations en Cours [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 27 Multiplexage à 4 K [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 28 Performance à 4 K • Gain en tension : 100 • Bruit en entrée : 0.2 nV/ Hz • Consommation : 15 mW quelque soit le nombre de pixels (100, 1000, 10000 …) [email protected] Atelier CNES Cryo. Elec. / 15 juin 2006 29
