APP1 de S6 – électrique - Université de Sherbrooke
publicité
Faculté de génie Département de génie électrique et de génie informatique Session 7 – Électrique Microélectronique et bio-ingénierie (Photonique et capteurs) La conception de photodiodes Guide de l’étudiant Unité 1 Hiver 2013 Note : En vue d’alléger le texte, le masculin est utilisé pour désigner les femmes et les hommes. Document : S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx Version 4, 14 janvier 2013 Par Serge Charlebois. Copyright 2013, Département de génie électrique et de génie informatique, Université de Sherbrooke L’Université se réserve le droit de modifier ses règlements et programme sans préavis. 2 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx Compétences terminales de la session S7 visées par l'unité Compétences scientifiques et techniques propres au génie électrique Appliquer les diverses étapes du processus de résolution de problèmes à des problèmes propres au génie électrique dans les domaines de la micro/opto-électronique, notamment: a) Analyser des dispositifs micro/opto-électroniques pour comprendre et déterminer leurs caractéristiques d’opération; b) Élaborer la configuration d’un dispositif micro/opto-électronique relativement aux matériaux semi-conducteurs et aux composants de base pour rencontrer des spécifications d’opération données. Compétences interpersonnelles a) Communiquer, en français, oralement et par écrit en utilisant le support approprié au moment requis. b) Comprendre, structurer et exploiter l'information. Compétences intrapersonnelles a) Exercer des capacités d'analyse, d'abstraction et de synthèse. b) S'acquitter de ses obligations et de ses responsabilités avec professionnalisme c) S'auto-évaluer, c'est-à-dire, prendre du recul, évaluer l'état de la situation, évaluer ses propres limites, son besoin de formation et prendre les mesures qui s'imposent. S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx 3 Énoncé de la problématique La conception de photodiodes En tant que nouvel/le ingénieur/e de design de dispositifs semiconducteurs, vous obtenez le mandat de concevoir une photodiode pour un client. Le cahier de charges de la demande du client se résume aux points suivants : Spécifications du client 1. la photodiode doit être de configuration planaire circulaire afin d’être disposée en matrice; 2. la superficie doit être minimisée pour maximiser l’intégration en matrice; 3. la photodiode doit générer un courant de 1nA pour une excitation lumineuse de 50µW/cm2 à la longueur d’onde de 516nm; 4. le ratio photocourant sur courant de saturation en inverse doit être supérieur à 2. 5. la tension d’opération doit être inférieure à 60V; 6. le circuit de multiplexage et d’amplification devra être placé sur la même puce. Votre intuition vous porte à considérer la conception d’une photodiode avalanche sur silicium telle qu’esquissée aux figures 1 et 2. Vous prendrez soin de justifier ce choix à votre client (qui n’est pas un expert du domaine). Vous procédez d’abord à une estimation grossière de la géométrie du dispositif en calculant : • la puissance lumineuse déposée dans la diode; • la densité des porteurs générés; • la pénétration de la lumière dans le silicium; • la taille de la zone de déplétion • la densité de dopants nécessaire • la tension de claquage attendue; • la tension d’opération optimale. Il faudra toutefois poser certaines hypothèses : le temps de vie des paires électron-trou, l’exposant de l’effet avalanche, etc. En fixant une limite à ce courant de saturation, vous parvenez à estimer le niveau de dopage nécessaire (en supposant la jonction p-n idéale). Pour simuler le dispositif, vous utiliserez le logiciel Taurus-Medici de Synopsys que votre employeur met à votre disposition. N’étant pas familier avec ce logiciel, vous tirez des archives le 4 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx projet de conception d’une diode qu’un de vos prédécesseurs a réalisé. Il vous manque toutefois le cahier de charge de ce client… Vous devez ainsi reproduire ses résultats et les analyser afin d’identifier le type de diode en cause et de mieux situer le travail à faire. Il suffira ensuite de modifier la géométrie de la photodiode en fonction des estimés précédant et de simuler. On devra s’assurer que le simulateur tient bien en compte les phénomènes significatifs présents dans le dispositif qui touchent entre autre : • la mobilité en fonction du champ; • l’effet tunnel de bande à bande; • le mécanisme d’avalanche. Figure 1 Vue en coupe d’une photodiode avalanche planaire à géométrie cylindrique Figure 2 Vue de dessus d’une photodiode avalanche planaire a géométrie cylindrique S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx 5 Connaissances nouvelles à acquérir par la résolution de cette problématique Connaissances déclaratives: • • • • • • • • • • • • • • Structure de bande des semiconducteurs et distinction des métaux et isolants. Effet de potentiel électrostatique sur les bandes d’énergie. Type de porteurs (électrons et trous) Dopage des semiconducteurs, génération thermique de porteurs. Porteurs minoritaires et majoritaires. Dynamique des porteurs (mobilité, diffusion, dérive). Expression microscopique de la loi d’Ohm. Photogénération de porteurs excédentaires. Recombinaison des porteurs. Le potentiel de contact d’une jonction p-n. Zone de déplétion de porteurs. Capacité statique d’une jonction p-n. Processus de claquage (avalanche et tunnel). Composants opto-électroniques: photodétecteurs. Connaissances procédurales: • • • • • • • • • • 6 Sem. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 Comment Calculer la densité de porteurs thermiques et leur type. Calculer la densité de porteurs photogénérés. Calculer la mobilité des porteurs à partir de mesures de résistivité. Calculer le courant de saturation inverse d’une jonction p-n. Calculer la taille de la zone de déplétion et la capacité statique d’une jonction. Savoir interpréter les diagrammes représentants le champ électrique, le potentiel électrostatique. Savoir interpréter les diagrammes représentants le profil de bande d’un dispositif et le niveau de Fermi et les pseudo-niveaux de Fermi pour en déduire qualitativement la dynamique des porteurs. Connaissances conditionnelles: • Quoi Sem. 1 1 1 2 2 1 2 Quand Distinguer les mécanismes générant la dynamique des porteurs (diffusion, dérive, génération thermique ou optique) présents dans un dispositif. Distinguer les mécanismes de claquage en inverse d’une jonction p-n. Distinguer si une excitation optique peut ou non donner lieu à la photogénération. Utiliser des approximations pertinentes à un contexte et justifier. 1 2 1 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx Références Révisions des connaissances antérieures « Microelectronic Circuits » par A. S. Sedra et K. C. Smith, 5e édition. Section 3.7.1 • Révision des concepts de base touchant les matériaux semiconducteurs Section 3.7.2 • Diode en circuit ouvert Section 3.7.3 • Diode en polarisation inverse Section 3.7.5 • Diode en polarisation directe Pour le procédural et le laboratoire de la première semaine « Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits » par Chenming Calvin Hu, 2010. Les chapitres se terminent par des résumés particulièrement utiles pour la révision. Chapitre 1 • Bandes d’énergie, distinction entre matériaux isolant, semiconducteur et métal, matériaux intrinsèques et extrinsèque • Concentration des porteurs • Temps de vie • Exemples : 1-1, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 1-7 • Problèmes : 1.2, 1.3, 1.6, 1.11 • Optionnel: exemple 1-2; problèmes 1.10 et 1.12 Chapitre 2 • Génération et recombinaison des porteurs excédentaires • Diffusion des porteurs • Diagramme d’énergie, tension et champ électrique • Exemples : 2-2, 2-3, 2-5, 2-6 • Problèmes : 2.1, 2.5, 2.7, 2.9 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx 7 Pour le procédural et la validation de la solution de la deuxième semaine « Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits » par Chenming Calvin Hu, 2010. Sections 4.1 à 4.5 • Jonction p-n à l’équilibre, diffusion des porteurs majoritaires, porteurs excédentaires, charge d’espace et zone de déplétion • Jonction p-n polarisée en inverse • Exemples : 4-1 • Problèmes : 4.2, 4.3, 4.5 Section 4.6 à 4.8 • Jonction p-n polarisée en direct • Problèmes : 4.6, 4.8 Section 4.9 • Caractéristique IV de la jonction p-n • Problèmes : 4.12 Section 4.12 et 4.15 • Cellule solaire et photodiodes Section 4.16-4.21 • Jonction métal-semiconducteur • Diode Schottky • Courant tunnel et thermoionique • Problèmes : 4.19, 4.23 Lectures complémentaires « Solid state electronic devices » par Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee, 5e édition. ~42 pages Chapitre 1 et 2 ~15 pages Sections 5.1 ~17 pages Sections 5.5 ~13 pages Sections 5.7 et 5.8 « Semiconductor devices : an introduction » par Jasprit Singh. Chapitre 2 (~38 pages), 3 (~46 pages) et 5 (~65 pages) 8 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx Activités liées à la problématique Première semaine: • Première rencontre de tutorat • Formation à la pratique procédurale • Formation aux outils de simulation (groupe collaboratif de 2) • Rencontre facultative de collaboration à la solution de la problématique Deuxième semaine: • Formation à la pratique procédurale • Validation de la solution à la problématique (groupe collaboratif de 2) • Deuxième rencontre de tutorat • Évaluation formative et rétroaction • Consultation facultative • Évaluation sommative • Remise du rapport d'APP Productions attendues Première semaine: Vous devriez toutefois, à la fin de la semaine, être en mesure d’utiliser l’outil de simulation pour obtenir les diverses propriétés d’une jonction p-n et être en mesure d’interpréter les diverses courbes et graphiques. Deuxième semaine: • Rapport d'APP : voir en page 15 du présent document pour les consignes. - Remise électronique en format PDF à la fin de la journée de l’évaluation sommative. - En couverture la grille d’évaluation du rapport (dernière page du guide) Évaluation sommative individuelle: • Durée: 3 heures. • Toute documentation et calculatrice autorisées. S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx 9 Formation à la pratique procédurale (1ère semaine) Problème 1 Quels est le type de dopage obtenu dans du silicium si vous utilisez les éléments suivants : • P • B • S • As • Al • Au Peut-on déduire le type de dopant à partir de sa position dans le tableau périodique des éléments? Problème 2 Quelle est la résistance à 100ºC (~400K) d’un barreau de GaAs de 10mm de longueur et de 1mm2 de section si la concentration de dopant de type n est de 1016cm-3 ? Si le dopant avait été de type p, la résistance du barreau serait-elle plus faible ou plus grande ? Par quel facteur ? Problème 3 On applique une tension de 50V entre deux électrodes distantes de 1mm placées sur un barreau de Si. Quel est le temps de transit moyen des électrons entre les électrodes ? Quel serait ce temps de transit la distance entre les électrodes était de 1µm ? Problème 4 À température ambiante, où se trouve le niveau de Fermi par rapport à sa position intrinsèque (Ei) si le silicium est dopé n à 1016cm-3 ? Où se trouverait-il si le dopant était de type p ? 10 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx Problème 5 Un échantillon de GaAs de 460nm d’épaisseur est exposé à une lumière monochromatique de 2eV à une puissance de 10mW. Le coefficient d’absorption (α) du GaAs à cette longueur d’onde est de 5×104cm-1. • Combien de puissance est absorbée par l’échantillon. • Illustrez le mécanisme d’absorption, de relaxation non radiative et de recombinaison radiative sur un diagramme de bande. • Combien de paires électron-trou sont créées par seconde. • Quelle est la puissance thermique absorbée. • Combien de photons sont émis par second par recombinaison radiative. Problème 6 1019 PET/cm3·s sont créées par une source lumineuse dans un échantillon de Si dont no=1014cm-3 et τn= τp=2µs. Calculez la densité de porteurs en excès en régime stationnaire. Indiquez si ce sont les porteurs majoritaires ou minoritaires qui subiront le plus grand changement de densité. Calculez la position des quasi-niveaux de Fermi et illustrez sur un diagramme de bande. Calculez le changement de conductivité de l’échantillon. Problème 7 On réalise l’expérience de Haynes-Shockley avec un échantillon de Ge de type n. La longueur de l’échantillon est de 1cm et les sondes 1 et 2 sont situées à 9.5mm de distance. L’échantillon est polarisé à ses extrémités par une tension de 2V. Une impulsion est émise au temps 0 au point 1 et arrive 0.25ms après au point 2. La largeur du pulse est de 117µs. Calculez la mobilité et le coefficient de diffusion des porteurs minoritaires. (Voir illustration du livre) S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx 11 Formation aux outils de simulation (1ère semaine) L’objectif de cette formation est de se familiariser avec le logiciel Taurus-Medici et sa documentation ainsi qu’avec les scripts servant aux simulations et l’analyse des résultats sous forme graphique ou autre. Déroulement : • Connexion au réseau et chargement des variables environnementales nécessaires • Étude sommaire des scripts simulant une diode : - Script contenant les définitions de paramètres structuraux et de calcul - Script de « construction » de la structure étudiée - Script de base pour le calcul des courbes I-V • Lancement d’une simulation et analyse des résultats : - Résultats textuels donnant l’état du calcul - Résultats graphiques, utilisation du logiciel de visualisation Taurus-Visual • Modification du script : - Modification des paramètres structuraux - Modification des paramètres de calcul Documents techniques Les documents techniques sont disponibles en ligne sur le site de la session : 12 • Guide pour la connexion et l’utilisation du logiciel de simulation Taurus-Medici • Documentation sur les scripts de calcul • Documentation du logiciel de simulation Taurus-Medici de Synopsys S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx Formation à la pratique procédurale (2e semaine) Problème 1 On forme une jonction p-n abrupte pour laquelle Na=1017cm-3 et Nd=1017cm-3. Trouvez la position du niveau de Fermi loin de la jonction du côté n et du côté p. Tracez le profil de bande de la jonction et obtenez le potentiel de contact ϕbi. Problème 2 On forme une jonction p-n abrupte de 2×10-3cm2 de section par implantation de bore dans une matrice de type n (Na=4×1018cm-3 et Nd=1016cm-3). Calculez le potentiel de contact (ϕbi), la largeur de la zone de déplétion du côté n (xno), du côté p (xpo), la charge d’espace positive (Q+), la capacité statique de la jonction et le champ électrique maximal (Eo). Problème 3 Calculez le courant pour une polarisation directe de 0.5V traversant une jonction p-n en Si de 10-3cm2 de section dont le côté donneur est dopée à 5×1016cm-3. Considérez τp=1µs et Dp=10cm2/s. Dessinez qualitativement le profil de bande de la jonction et y illustrant les quasi-niveaux de Fermi. Problème 4 Une diode p+-n en Si (ϕbi =0.956V) a une région n de 1µm de largeur dopée à 1017cm-3. Quel est le mécanisme de claquage en inverse de cette diode? Problème 5 Tracez la courbe I-V d’une jonction p-n dans le noir et sous éclairement (énergie supérieure au gap). Décrivez le point d’opération sous éclairement si la jonction est placée : • dans un circuit de faible impédance. • dans un circuit de forte impédance. À quelle configuration correspond la pile solaire? S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx 13 Validation de la solution à la problématique (2e semaine) Chaque équipe d’APP devra procéder à la simulation de la photodiode avalanche qu’il aura conçu à l’aide du logiciel Taurus-Medici. 1) Modifier le script pour tenir compte de votre estimation de la structure du dispositif a) Les régions de dopage (taille, densité et type de dopants) b) La grille de calcul initiale (est-elle bien adaptée au dispositif?) c) L’excitation optique (la longueur d’onde, la densité surfacique, la profondeur de pénétration) • Assurez-vous de ne pas faire calculer les courbes I-V à cette étape pour sauver du temps • Observer l’effet des différents paramètres sur la forme/taille de la zone de déplétion Les simulations suivantes devront être effectuées : 2) La courbe I-V de la photodiode sans excitation optique a) Le profil de bande à faible polarisation inverse (ex. -.5V) b) La valeur de la tension d’avalanche et le choix du point d’opération • Limitez le calcul à la tension d’opération désirée (voir paramètres du la courbe I-V) 3) La courbe I-V de la photodiode avec excitation optique a) Le photocourant (I_photo – I_dark) en fonction de la tension de polarisation b) Le gain en régime d’avalanche (photocourant/photocourant à faible polarisation) • Utilisez les .ivl obtenus en mode « non SEARCH ». Pour faire ces analyses, vous devez noter les valeurs ou les exporter (dans TV2D, choisir DATA, SPREADSHEET, choisir la table désirée, choisir FILE, EXPORT, To TWB. Utilisez Excel en importation texte). 4) L’étude au point d’opération a) Les courbes d’isopotentiel b) Les courbes d’isogénération avalanche 14 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx Consignes pour le rapport d'APP (2e semaine) Un rapport d’APP de moins de 9 pages doit être présenté par équipe de 2 personnes. Il doit contenir les éléments suivants: • Grille d’évaluation du rapport d’APP. • Une demi-page de sommaire démontrant le respect des spécifications requises par le client et résumant les propriétés du dispositif, dont notamment : - La tension de claquage, le point d’opération recommandé, l’efficacité quantique du dispositif (nombre de photons incidents par seconde / flux de porteurs), la sensibilité (variation du courant / densité de puissance incidente) • Une demi-page résumant et expliquant les principales différences observées entre votre estimation et la simulation, notamment : - La tension de claquage, la zone de déplétion, le courant de saturation • La justification du choix de dispositif et du matériau - Notez que 4 des spécifications requises peuvent être évoquées. Répondez par exemple aux questions suivantes : Pourquoi ne pas utiliser du GaAs dont la mobilité électronique est plus grande? Pourquoi recourir au mécanisme d’avalanche? • Le détail de votre estimation « avant simulation » de la géométrie, de la sensibilité, du photocourant du dispositif ½ p. ½ p. ½ p. 1 p. - • Expliquez votre démarche par de courts énoncés et donnez les équations utilisées Les graphiques suivants dont vous décrirez brièvement les éléments significatifs : - La structure du dispositif montrant les régions de dopage, la zone de déplétion et la localisation de l’excitation optique - Les courbe I-V sans et avec excitation optique indiquant le point d’opération - Le photocourant en fonction de la tension de polarisation - Le gain en régime d’avalanche en fonction de la tension de polarisation - Au point d’opération : Les courbes d’isopotentiel Les courbes d’isogénération avalanche 1 p. S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx 1 p. 1 p. 1 p. 1 p. 1 p. 1 p. 15 Grille d’évaluation du rapport d’APP La conception de photodiodes GMB 720 Sommaire et respect des spécifications requises / 20 Résumé et justification des différences observées entre estimation et simulation / 10 Justification du choix de dispositif et matériaux / 10 Détail de l’estimation « avant simulation » / 20 Graphiques et leur description : Structure du dispositif et excitation optique /5 Courbe I-V sans excitation optique et point d’opération /5 Photocourant en fonction de la tension de polarisation /5 Gain en régime d’avalanche /5 Courbes d’isopotentiel et champs électrique /5 Courbes d’isogénération avalanche /5 Vitesse et temps de transit des porteurs /5 Qualité de la langue et clarté du rapport /5 Total / 100 T… P… Nom : CIP : T… P… Nom : CIP : Commentaires du correcteur : 16 S7eMBI-APP1_Guide_Etudiant-H2013.docx Faculté de génie Département de génie électrique et de génie informatique Session 7 – Électrique Microélectronique et bio-ingénierie (Photonique et capteurs) La conception d’un transistor MOS Guide de l’étudiant Unité 2 Hiver 2012 Note : En vue d’alléger le texte, le masculin est utilisé pour désigner les femmes et les hommes. Document : S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Version 3, 3 février 2012 Copyright 2012, Département de génie électrique et de génie informatique, Université de Sherbrooke L’Université se réserve le droit de modifier ses règlements et programme sans préavis. 2 S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Table des matières Compétences terminales de la session S6 visées par l'unité ........................................................... 4 Compétences scientifiques et techniques propres au génie électrique ............................................................................. 4 Compétences interpersonnelles ........................................................................................................................................ 4 Compétences intrapersonnelles ........................................................................................................................................ 4 Énoncé de la problématique............................................................................................................... 5 Connaissances nouvelles à acquérir par la résolution de cette problématique ............................ 6 Références essentielles à consulter .................................................................................................... 7 Pour le procédural et le laboratoire de la première semaine ..................................................................................... 7 Pour le procédural et la validation de la solution de la deuxième semaine ................................................................ 8 Lectures complémentaires ........................................................................................................................................... 8 Productions attendues ........................................................................................................................ 9 Première semaine: ...................................................................................................................................................... 9 Deuxième semaine: ..................................................................................................................................................... 9 Évaluation sommative individuelle: ............................................................................................................................ 9 Formation à la pratique procédurale (1ère semaine) ..................................................................... 10 Formation aux outils de simulation (1ère semaine) ........................................................................ 11 Documents d'accompagnement de la problématique .................................................................... 11 Formation à la pratique procédurale (2e semaine) ....................................................................... 12 Validation de la solution à la problématique (2e semaine) ........................................................... 14 Consignes pour le rapport d'APP (2e semaine) .............................................................................. 15 Grille d’évaluation du rapport d’APP ............................................................................................ 17 S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 3 Compétences terminales de la session S6 visées par l'unité Compétences scientifiques et techniques propres au génie électrique Appliquer les diverses étapes du processus de résolution de problèmes à des problèmes propres au génie électrique dans les domaines de la micro/opto-électronique, notamment: a) Analyser des dispositifs micro/opto-électroniques pour comprendre et déterminer leurs caractéristiques d’opération; b) Élaborer la configuration d’un dispositif micro/opto-électronique relativement aux matériaux semi-conducteurs et aux composants de base pour rencontrer des spécifications d’opération données. Compétences interpersonnelles a) Communiquer, en français, oralement et par écrit en utilisant le support approprié au moment requis. b) Comprendre, structurer et exploiter l'information. Compétences intrapersonnelles a) Exercer des capacités d'analyse, d'abstraction et de synthèse. b) S'acquitter de ses obligations et de ses responsabilités avec professionnalisme c) S'auto-évaluer, c'est-à-dire, prendre du recul, évaluer l'état de la situation, évaluer ses propres limites, son besoin de formation et prendre les mesures qui s'imposent. 4 S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Énoncé de la problématique La conception d’un transistor MOSFET Vous obtenez le mandat de concevoir un transistor NMOS respectant le cahier de charges suivant : Spécifications 1. Transistor à enrichissement dont la tension de seuil se situe à 0.5 ± 0.1 V. 2. Sera utilisé en électronique numérique avec VDD=2 V. 3. Le courant IDSAT maximal devrait être de près de 1 mA. 4. La transconductance gm devrait être d’environ 1 mS et le gain maximal supérieur à 5. 5. Les effets de canal courts et de couplage au corps du transistor (body effect) devraient être minimisés. 6. La technologie disponible qualifiée de 200nm est basée sur une grille de polysilicium N+ et un oxyde de silicium possédant une densité de charges surfacique provenant d’états d’interface Qit=3×1011 cm-2, de charges fixes Qf=2×1011 cm-2, et de charges mobiles Qm=1×1010 cm-2 Vous savez que l’optimisation de ce dispositif est hautement non linéaire où il faudra ajuster la longueur et la largeur de grille, l’épaisseur d’oxyde, le dopage du substrat, etc. Votre intuition vous amène à penser que les effets de saturation de la vitesse des porteurs devraient entre autre apparaître dus au fort champ électrique anticipé. Les effets de canal court augmentant la transconductance gds devront être contrôlés. Le recourt à la technique de dopage rétrograde du canal et de drain peu profond devrait être considéré. Vous procédez d’abord à une estimation grossière du dispositif : En déduisant de la tension de seuil pour la formation du canal de conduction les caractéristiques du condensateur MOS formé par la grille et le substrat; En estimant la taille du canal (longueur et largeur) à partir du courant spécifié et de la transconductance gm. Il faudra toutefois poser certaines hypothèses en ce qui a trait à la mobilité électronique dans le canal de conduction et à la densité de charge présente dans l’oxyde de grille. Vous procédez ensuite à l’ajustement du design réalisé précédemment à l’aide des techniques connues pour contrôler les effets de canal court et de couplage par corps du transistor. Pour simuler le dispositif, vous utiliserez le logiciel Taurus-Medici de Synopsys que votre employeur met à votre disposition. Vous obtenez également un script d’un collègue ayant travaillé au design d’un transistor MOS semblable autrefois. Vous devez ainsi reproduire les résultats et les analyser afin d’identifier le type de transistor en cause et de mieux situer le travail à faire. La géométrie du dispositif et les scripts sont décrits en annexe. S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 5 Connaissances nouvelles à acquérir par la résolution de cette problématique Connaissances déclaratives: Effet de potentiel électrostatique sur les bandes d’énergie. Barrière de potentiel et potentiel de contact d’une jonction métal-semiconducteur. Courant thermoïonique Courant tunnel Zone d’accumulation, de déplétion et d’inversion. Nomenclature des transistors JFET, MESFET, HEMT, MISFET, MOSFET, PMOS, NMOS et systèmes CMOS. Capacité statique d’un condensateur MOS. Modes d’opération en appauvrissement ou en enrichissement du MOSFET Effets de canal court Fuites au substrat, à la grille Connaissances procédurales: 6 Comment Établir le profil de bande d’une jonction métal-semiconducteur Calculer la taille de la zone de déplétion d’un condensateur MOS Calculer et ajuster la tension de seuil d’un MOSFET Dimensionner un MOSFET en fonction de spécifications Identifier les effets de canal Savoir interpréter les diagrammes représentants le champ électrique, le potentiel électrostatique. Savoir interpréter les diagrammes représentants le profil de bande d’un dispositif et le niveau de Fermi et les pseudo-niveaux de Fermi. Connaissances conditionnelles: Quoi Quand Identifier les mécanismes modifiant la barrière de potentiel et la courbure de bande d’une jonction métal-semiconducteur. Identifier les mécanismes modifiant la barrière de potentiel et la courbure de bande d’un condensateur MOS. Distinguer les transistors JFET, MESFET, HEMT, MISFET, MOSFET, PMOS, NMOS par leurs principales caractéristiques. Identifier les mécanismes intervenants dans les MOSFETs à canal court. Utiliser des approximations pertinentes à un contexte et justifier. S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Références essentielles à consulter Pour le procédural et le laboratoire de la première semaine « Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits » par Chenming Calvin Hu, 2010. Les chapitres se terminent par des résumés particulièrement utiles pour la révision. Section 4.16 à 4.20 (partie III du chapitre 4) Jonctions métal-semiconducteur Courant thermoïonique et tunnel Diode Schottky Contacts ohmiques Problèmes : 4.17, 4.18, 4.24 Sections 5.1 à 5.5 Condensateur MOS Régimes d’accumulation, de déplétion et d’inversion Problèmes : 5.1, 5.3, 5.5, 5.9, 5.11 Sections 5.6 à 5.9 Caractéristique capacité-tension condensateur MOS Charges d’oxyde Épaisseur effective de l’oxyde Problèmes : 5.15, 5.20 (C-V) du Section 6.3 Mobilité des porteurs à l’interface Si/SiO2 Transistors MESFET et HEMT Transistor JFET Section 6.4 Tension de seuil du MOSFET Couplage par le corps (body effect) Problèmes : 6.3, 6.18 Section 6.5 et 6.6 Description de l’inversion le long du canal Caractéristique IV de base du MOSFET (long) Problèmes : 6.5, 6.8 S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 7 Pour le procédural et la validation de la solution de la deuxième semaine « Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits » par Chenming Calvin Hu, 2010. Section 6.8 et 6.9 Saturation de la vitesse des porteurs Caractéristique IV avec saturation de la vitesse Lien avec la saturation du courant Ids Problème : 6.19, 6.23, 6.24 Section 6.13 et 6.14 Conductance de sortie et gain Comportement à haute fréquence Section 7.2 et 7.4 Courant Ioff Fuite par la grille Diélectrique « high-k » Problèmes : 7.1, 7.2, 7.3 Section 7.3 et 7.9 Effets de canal court Réduction de Vt par la tension de drain Section 7.5 et 7.6 Réduction de la zone de déplétion sous le canal Considérations sur les jonctions drain/source Lectures complémentaires Sections 6.7 Technologie CMOS Sections 7.1, 7.7 et 7.8 Sections sur l’évolution technologique du MOSFET Sections 5.10 et 6.16 Capteur CCD et mémoire 8 S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Productions attendues Première semaine: Aucune. Vous devriez toutefois, à la fin de la semaine, être en mesure d’utiliser l’outil de simulation pour obtenir les diverses propriétés du transistor PMOS et être en mesure d’interpréter les diverses courbes et graphiques, notamment en ce qui a trait au régime d’opération du canal. Deuxième semaine: Rapport d'APP - Voir en page 15 du présent document pour les consignes. - À remettre à la fin de l’évaluation sommative. Évaluation sommative individuelle: Durée: 3 heures. Toute documentation et calculatrice autorisées. S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 9 Formation à la pratique procédurale (1ère semaine) Problème 1 Une jonction métal-semiconducteur est réalisée à partir d’un métal ayant un travail de sortie de 4.4 eV et du silicium de type n (Nd=1015 cm-3) dont l’affinité électronique est 4 eV. Cette jonction aura-t-elle un comportement redresseur? Problème 2 Une jonction métal-semiconducteur est réalisée à partir d’un métal ayant un travail de sortie de 5.4 eV et du silicium de type p (NA=1017 cm-3) dont l’affinité électronique est 4 eV. Cette jonction aura-t-elle un comportement redresseur? Problème 3 Les figures 5-5, 5-6, 5-7 et 5-9 représentent un condensateur MOS réalisé à partir d’un matériau de type p. Reprenez la même figure pour un semiconducteur de type n. Reprendre les figures du problème 5.3 pour un MOS sur type p. Problème 4 Calculez la tension de bandes planes d’un condensateur MOS ayant 1010 cm-2 charges d’oxyde. Considérez Vfbo=Ψg-Ψs=0.95 V, Na=1016 cm-3 et 10 nm d’oxyde. Calculez la tension de seuil dans le même contexte. Problème 5 10 Le besoin de faire baisser la tension de seuil a pour conséquence d’augmenter l’effet de couplage au corps. Quel est l’effet de la baisse de la tension de seuil sur la taille de la zone de déplétion sous le canal? Quel est l’effet sur le couplage au corps? Comment contrôler/limiter cet effet? S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Formation aux outils de simulation (1ère semaine) L’objectif de cette formation est de se familiariser avec le logiciel Taurus-Medici et sa documentation ainsi qu’avec les scripts servant aux simulations et l’analyse des résultats sous forme graphique ou autre. Déroulement : Connexion au réseau et chargement des variables environnementales nécessaires Étude sommaire des scripts simulant un transistor MOS : - Script contenant les définitions de paramètres structuraux et de calcul - Script de « construction » de la structure étudiée - Script de base pour le calcul des courbes caractéristiques Lancement d’une simulation et analyse des résultats : - Résultats textuels donnant l’état du calcul - Résultats graphique Modification du script : - Modification des paramètres structuraux - Modification des paramètres de calcul Documents d'accompagnement de la problématique Tous ces documents sont également disponibles en ligne (commande tcaddoc) : Guide pour la connexion et l’utilisation du logiciel de simulation Taurus-Medici Documentation sur les scripts de calcul Documentation du logiciel de simulation Taurus-Medici de Synopsys S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 11 Formation à la pratique procédurale (2e semaine) Problème 1 Soit la figure 5-42, Identifiez les régions d’accumulation, de déplétion et d’inversion ainsi que la tension de seuil et la tension de bande plane. Quel est le type de substrat ? Calculez Tox en considérant une surface de 4.75×10-3 cm2 et une capacité Co de 82pF. Quelles est la concentration de dopants du substrat ? Considérez un dopage uniforme. Quelle est la charge contenue dans l’oxyde (en coulomb et en densité surfacique de dopant). Considérez que la grille est de type p+. Problème 2 Calculez la tension de seuil d’un transistor NMOS à grille de polysilicium dont l’oxyde fait 10 nm d’épaisseur. Considérez Na=1018 cm-3 et des charges fixes dans l’oxyde de 5×1010 cm-2. On doit réduire de 1V la tension de seuil de ce NMOS par implantation en surface. Calculez le type et la dose d’implantation nécessaire. La grille fait 2 µm de longueur par 50 µm de largeur. Considérant une mobilité électronique dans le canal de 200 cm2/V·s, calculez le courrant de drain : o Pour VG=5 V et VD=0.1 V. o Pour VG=3 V et VD=5 V. Problème 3 12 Un « transistor de champ » est un composant parasite formé d’une ligne d’interconnexion posé sur l’oxyde de champ et du substrat fortement dopé. Considérant une épaisseur d’oxyde de champ de 0.3µm et un dopage Na de 5×1017cm-3, quelle est la tension de seuil? Est-ce que la tension Vdd=2V du circuit peut ouvrir ce transistor parasite? Sinon, quel est le taux de croissance du courant sous la tension de seuil (subthreshold swing, S)? Quel est le courant maximal qui peut circuler dans ce composant si W=10µm et L=0.3µm? S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Problème 4 Considérez deux transistors dont la capacité de grille est identique mais qui sont formés à partir de substrats dopés à 1016 et 4×1016 cm-3. Lequel de ces transistor est moins sensible à la polarisation du substrat? Lequel de ces transistors devrait avoir la plus grande transconductance? Problème 5 Quel est le critère pour déterminer si un transistor est à canal court? La saturation de la vitesse des porteurs permet-elle d’expliquer la non saturation du courant dans les composants à canal court? Qu’est-ce qui cause l’impédance de sortie (gds)? Problème 6 Obtenez l’expression de la transconductance gm en présence de saturation de la vitesse. Comparez au transistor à canal long. Identifiez une faiblesse et un avantage. S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 13 Validation de la solution à la problématique (2e semaine) Chaque équipe d’APP devra procéder à la simulation du transistor qu’il aura conçu à l’aide du logiciel Taurus-Medici. Les simulations suivantes devront être effectuées : 1) La structure du dispositif a) Les contacts, la grille, le canal, etc. b) La région de drain/source faiblement dopé c) Le dopage d’ajustement de la tension de seuil ou le dopage rétrograde 2) Les courbes caractéristiques du transistor a) La courbe ID-VGS pour différentes valeurs de VBS et en tirer la tension de seuil b) La courbe ID-VDS pour différentes valeurs de VGS c) La courbe IG-VDS pour différentes valeurs de VGS 3) L’étude au point d’opération a) La densité électronique montrant le canal de conduction et son pincement b) Le profil de bande d’une coupe transversale du canal de conduction c) Les courbes d’isogénération avalanche d) La vitesse des porteurs pour en déduire le temps de transit dans le canal de conduction 14 S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Consignes pour le rapport d'APP (2e semaine) Un rapport d’APP d’au plus 14 pages doit être présenté par équipe de 2 personnes. Il doit contenir les éléments suivants: Grille de correction (p. 15) en guise de couverture identifiant clairement chacun des auteurs, leurs matricules et leurs groupes T et P Un tableau démontrant le respect des spécifications requises et donnant les caractéristiques principales du transistor. Requis Obtenu Dimensions du transistor Tension de seuil Idsat à Vgs=Vdd (A et A/µm) Courant de fuite Ioff (A et A/µm) S/O S (subthreshold swing) * Transconductance gm (mS et mS/µm) Impédance de sortie (gds) (mS et mS/µm) Gain maximal Fréquence maximale S/O Coefficient de couplage au corps (α) * * Paramètre de réduction de VT (roll-off, ld) 1 p. ½ p. * ces paramètres doivent être estimés sur une base théorique. Paragraphe décrivant le dispositif initial (nmos ou pmos, enrichissement ou appauvrissement, canal court ou long), identifiant les problèmes de fonctionnement qu’il présente et précisant les modifications à apporter afin d’obtenir le transistor désiré. ½ p. Le détail de votre estimation « avant simulation » du dispositif en soulignant les étapes pertinentes à l’atteinte des spécifications : 2 p. - Tension de seuil (en canal long) - Limites de canal court et d’effet de Vds sur VT - Dopage rétrograde - Taille du dispositif S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 15 16 La synthèse des différences entre votre estimation et la simulation. Ce que vous avez du ajuster pour répondre aux spécifications notamment en ce qui concernent l’effet sur la tension de seuil des autres paramètres. 1 p. Les graphiques suivants dont on décrira brièvement les éléments significatifs : - La structure du dispositif, la région de drain/source, le dopage rétrograde 1 p. - Les courbes caractéristiques du transistor Id-Vgs pour 3 valeurs de Vb Id-Vds pour des valeurs significatives de Vgs Id-Vds sous la tension de seuil Ig-Vds (fuite de la grille) pour des valeurs significatives de Vgs - L’étude du dispositif à courant maximal : La densité électronique dans le canal de conduction et son pincement Le profil de bande d’une coupe transversale du canal de conduction Les courbes d’isogénération avalanche 3 p. 1 p. 1 p. 1 p. S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc Grille d’évaluation du rapport d’APP La conception d’un transistor MOS GEI 769 Sommaire et respect des spécifications requises / 25 Description du dispositif initial et modifications nécessaires / 10 Détail de l’estimation « avant simulation » / 20 Synthèse des différences entre estimation et simulation / 10 Graphiques et leur description : La structure du dispositif /3 Les courbes caractéristiques du transistor / 16 La densité électronique montrant le canal de conduction et son pincement /4 Le profil de bande d’une coupe transversale du canal de conduction /4 Les courbes d’isogénération avalanche /3 Qualité de la langue et clarté du rapport /5 Total / 100 T… P… Nom : Matricule : T… P… Nom : Matricule : Commentaires du correcteur : S7eMBI-APP2_Guide_Etudiant-H2012.doc 17
