Dessin cryogénique

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"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]

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  • "Microlectronique cryognique pour instrumentation bas bruit"

    Porquerolles 2007

    Fabrice Voisin - APC - [email protected] travaux prsents ont t raliss en collaboration avec :

    Damien Prle - LISIF - [email protected]

  • Dfinition

    Le domaine des tempratures cryogniques concerne les tempratures T 120K ( -153C)

    Deux tempratures cls qui sont celles de liquides cryogniques communment employs:

    - Temprature de lazote liquide: 77K ( -196C)

    - Temprature de lhlium liquide (hlium 4): 4,2K ( -269C)

    On est bien loin de la traditionnelle gamme des tempratures (de -65C/-55C +125C) pour laquelle sont spcifies la plupart des technologies utilises en microlectronique

    En vue dune ralisation, la connaissance du comportement en temprature des transistors ainsi que des lments passifs de la technologie retenue savre donc indispensable (phase de caractrisation incontournable)

    A noter enfin que si lutilisation de technologies standard est de plus en plus rpandue pour des applications 77K, une transposition jusqu 4,2K ny a rien de trivial puisque le rapport des tempratures est de 300K/77K4 contre 77K/4,2K20, soit un gap restant franchir 5 fois plus important

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  • Plan

    Introduction, quels sont les motivations et les besoins

    Rappel concernant la physique des semi-conducteurs et la principale limitation que constitue le phnomne de gel des porteurs (carrier freeze-out) en dessous dune temprature donne

    Comportement des transistors MOS basses tempratures

    Transistors bipolaires homojonction Si et htrojonction SiGe

    Rsultats de caractrisation de la technologie BiCMOS SiGe 0.35m dAMS

    Exemple de ralisation cryognique bas bruit: circuit damplification et de multiplexage pour la lecture dune matrice de TES au moyen de SQUID

    Conclusion

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  • INTRODUCTION:

    Quels sont les motivations, les besoins

    et les solutions

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  • Motivations /1

    Un premier aspect, li l'intrt de faire fonctionner une lectronique temprature cryognique en vue de bnficier de performances accrues

    Dans le domaine du numrique, les amliorations concernant la technologie CMOS sont nombreuses (du moins jusqu' 77K) [CLA-92] [GHI-95]:

    - Augmentation de la mobilit des porteurs et par suite de la transconductance

    - Rduction des capacits et des rsistances parasites d'interconnexion

    - Diminution des courants de fuite

    - Plus grande immunit au phnomne de latch-up (chute du gain en courant

    des transistors bipolaires parasites)

    Dans le domaine de l'instrumentation analogique:

    - Rduction du bruit thermique (dit de Johnson) de llectronique de traitement

    - Augmentation de la transconductance et des frquences de transition [KRI-06]

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  • Motivations /2

    Un second aspect, li la ncessit de disposer dune lectronique pour la mise en uvre de dispositifs refroidis, cest le cas notamment des instruments utilisant des capteurs base de matriaux supraconducteurs:

    - Bolomtres transition rsistive, TES (Transition Edge Sensors) fonctionnant 300mK ou 77K (matriaux haute temprature critique), utiliss pour la dtection de rayonnements lectromagntiques (ondes millimtriques et submillimtriques) [MAY-03]

    - SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) fonctionnant 4.2K, raliss partir de jonctions Josephson, utiliss en tant que magntomtres dans le domaine de limagerie mdicale [OHT-04], ou en tant quamplificateurs ultra-bas bruit pour l'instrumentation [MAY-03]

    Ces capteurs dlivrent de faibles signaux (quelques V), sont pour la plupart extrmement performants en terme de bruit (fraction de nV/Hz) et, de ce fait, requirent une lectronique de lecture bas bruit (amplification bas bruit)

    Pour tre refroidis, ces capteurs sont placs lintrieur dun cryostat

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  • Besoins

    Le traitement analogique de faibles signaux en milieu cryognique est dlicat lorsque llectronique fonctionne en dehors du cryostat du fait de la connectique [FAB-02] [PRE1-06]:

    - Augmentation du bruit et du temps de rponse rsultant des effets de microphonie et des capacits parasites- Contribution en bruit non ngligeable de la rsistivit des cbles utiliss en cryognie (longs fils rsistifs, en inox ou manganin, pour assurer lisolation thermique du cryostat et diminuer la consommation des fluides), 1m de cble inox (20/m) correspond 0,6nV/Hz 300K- Bien souvent, pour atteindre le niveau de bruit du capteur, l'lectronique de traitement doit tre refroidie pour pouvoir bnficier dune diminution de son bruit thermique

    Cest dautant plus dlicat voire mme impossible lorsquil sagit dune matrice constitue dun grand nombre de capteurs supraconducteurs:Llectronique dadressage et de traitement doit fonctionner proximit immdiate du capteur i.e. temprature cryognique afin de limiter le nombre de cbles sortir

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  • Solutions

    Bon nombre de ralisations d'instrumentation analogique utilisent des transistors discrets du commerce pr-caractriss [KIV-06]

    Il n'existe pas proprement parler de technologie spcifiquement ddie un fonctionnement en milieu cryognique qui soit disponible sur le march

    En revanche, l'utilisation de technologies standards est envisageable mais ncessite une phase pralable de caractrisation et ventuellement la mise en uvre de modles pour une simulation temprature cryognique:

    - Technologies CMOS, jusqu' 77K, au-del limit par le phnomne de gel des porteurs

    - Technologies bipolaires SiGe, jusqu' 4.2K, dpend des niveaux et du profil de dopage

    Avantages:Ce sont des technologies (CMOS Si et BiCMOS SiGe) faible cot, fort niveau d'intgration, et autorisant des ralisations basse consommation (contrainte forte qui concerne notamment lautonomie des cryo-gnrateurs utiliss dans le cadre dapplications spatiales [KIR-90])

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  • RAPPELS SUR LA PHYSIQUE DES

    SEMI-CONDUCTEURS:

    Limitation physique impose par le gel

    des porteurs trs basse temprature

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  • Limitation physique

    Dans un semi-conducteur (S.C.), les mcanismes de conduction sont fortement dpendants de la temprature: celle-ci dtermine le nombre de porteurs libres pouvant participer la conduction et leur aptitude se dplacer dans le rseau (mobilit), en influant sur les interactions que ces porteurs peuvent avoir avec les atomes du rseau ou les atomes dimpurets introduites

    Pour tout S.C. non dgnr, il existe une temprature de fonctionnement limite en dessous de laquelle, en raison du phnomne de gel des porteurs (carrier freeze-out), il ny a plus de conduction possible (du moins le nombre de porteur libre nest plus suffisant pour pouvoir assurer une conduction significative), le matriau devient isolant (quasiment)

    Pour comprendre lorigine de cette limitation physique et par la suite ses implications il convient deffectuer quelques rappels lmentaires concernant la physique des semi-conducteurs et plus particulirement lvolution de la concentration des porteurs et du niveau de Fermi en fonction de la temprature

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  • Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 11

    S.C. intrinsque /1

    Notion de bandes dnergie:Les bandes dnergie indiquent les tats possibles dnergie des lectrons dans un cristal:

    - Bande de valence (B.V.) : dernire bande permise presque/entirement pleine (maximum EV)

    - Bande de conduction (B.C.) : premire bande permise presque/entirement vide (minimum EC)

    - Gap: bande dnergie interdite sparant la B.V. et la B.C. (de largeur Eg=EC-EV)

    Semi-conducteur intrinsque (non dop):- Pour T=0K, un S.C. intrinsque pur est un isolant: la B.V. est pleine tandis que la B.C. est vide

    - Pour T0K, un lectron de la B.V. va pouvoir franchir la bande interdite et rejoindre la B.C. laissant la place un troudans la B.V., le S.C. se comporte alors comme un conducteur dont la conductivit dpend fortement de la temprature

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    S.C. intrinsque /2

    Densits de porteurs dans un S.C. intrinsque:- Ltude du comportement statistique des densits dlectrons (n) et de trous (p) dans les B.C. et B.V. respectivement (porteurs libres) conduit aux relations suivantes:

    NC et NV densits dtats, mn et mp masses effectives des lectrons et des trous, respectivement, h=6,6x10-34 J.s, k=1,38x10-23 J/K

    - Lnergie de Fermi EF reprsente lnergie potentielle moyenne de tous les lectrons, sa position dans le gap dtermine les proprits lectroniques dun S.C.:

    Dans un S.C. intrinsque la conduction se fait autant par les lectrons (conduction de type N) que par les trous (conduction de type P), le niveau de Fermi se situe au milieu de la bande interdite

    23

    2p,n

    V,CFV

    VCF

    C hkTm2

    2Navec kT

    EEexpNp et kT

    EEexpNn

    =

    =

    = (1)

    pn mm

    VC

    C

    VVCF 2

    EENNlnkT

    21

    2EEE

    +

    +

    += (2)

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    S.C. intrinsque /3

    Concentration en porteurs intrinsques:- Les densits de porteurs n et p sont relies par la loi daction de masse, avec ni la concentration en porteurs intrinsques:

    - Dans un S.C. intrinsque il y a autant dlectrons que de trous crs par agitation thermique:

    ni(300K)1,5x1010cm-3 pour du silicium (Si) et ni(300K)2,4x1010cm-3 pour du germanium (Ge)

    Dpendance en temprature:

    Toutes choses gales par ailleurs, pour T

  • S.C. intrinsque /4

    Conductivit et rsistivit dun S.C. intrinsque:- Par application dun champ lectrique, la conduction se fait la fois grce au mouvement des lectrons libres dans la B.C. et la migration des trous dans la B.V.

    - On exprime la densit totale de courant comme la somme des densits de courant dues aux lectrons et aux trous:

    Dpendance en temprature:

    A temprature dcroissante, laugmentation de la mobilit des porteurs ne compense que le terme en (kT)3/2 prsent dans lexpression de ni si bien que la conductivit dun S.C. intrinsque dcrot exponentiellement (inversement pour la rsistivit)

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    ( ) ( ) ( )

    kT2EgexpT suite par kT T, porteurs des mobilit la 23pn (7)

    (6)( ) ( ) rsistivit 1 et tconductivi , nqpnqavec EJ ipnpn =+=+==

  • S.C. extrinsque /1

    Semi-conducteur extrinsque (dop):- On modifie les proprits lectriques dun S.C. en introduisant une quantit datomes ayant un lectron en plus (atomes donneurs du groupe V: phosphore (P)) ou en moins (atomes accepteurs du groupe III: bore (B)) dans leur cortge lectronique par rapport aux atomes du rseau auxquels ils vont se substituer (constitus dlments simples du groupe IV: Si, Ge)

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    - Dans le diagramme des nergies, les niveaux ED ou EA, correspondant aux atomes donneurs ou accepteurs introduits, sont situs une dizaine de meV en dessous de la B.C. ou au dessus de la B.V. respectivement:

    Sous leffet de lagitation thermique, les lectrons ou les trous qui peuplent ces niveaux vont, dans un cas, facilement transiter vers la B.C. (transition des lectrons du niveau ED vers la B.C.) ou, dans lautre, vers la B.V. (occupation des trous du niveau EA par des lectrons provenant de la B.V.)

  • S.C. extrinsque /2

    Densit des porteurs dans un S.C. extrinsque:La concentration des porteurs dans un S.C. extrinsque comportant les deux types dimpurets sobtient en rsolvant lquation du 2nd ordre rsultant, dune part, de lquation de neutralitdans le S.C. et, dautre part, de la loi daction de masse:

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    ioniss accepteurs atomes N te ioniss donneurs atomes N -AD+

    pnn te ,NpN n 2iD-A =+=+

    + (8)1

    FAAA

    1-DF

    DD kTEEexp41NN et

    kTEEexp21 NNavec

    +

    +=

    += (9)

    ( ) ( ) [ ] DK300TD2i2DD2i2ADAD NNavec n4NN21n4NNNN

    21n ++

    ++=

    =

    +++ (10)

    ( ): NN N type de S.C. - -AD >>+

    ( ) ( ) [ ] AK300TA2i2AA2i2DADA NNavec n4NN21n4NNNN

    21p ++

    ++=

    =

    ++ (11)

    ( ) : NN P type de S.C. - DA + >>

  • Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 17

    S.C. extrinsque /3

    Positionnement du niveau de Fermi:- A T=300K, on sarrange gnralement pour que la concentration des dopants soit suprieure celle des porteurs intrinsques, ND>>ni ou NA>>ni, de sorte favoriser une conduction de type N ou de type P, soit nND ou pNA respectivement (on suppose que tous les atomes donneurs et accepteurs sont ironiss cette temprature, )

    - La position du niveau de Fermi volue comme (Ei niveau de Fermi intrinsque):

    S.C. de type N (ND>>ni):

    S.C. de type P (NA>>ni):

    - Pour valuer la concentration des porteurs et la position du niveau de Fermi en fonction de la temprature on se contentera de ntudier que les cas extrmes

    +

    +=

    i

    Di

    iiFn n

    NkTlnEnnkTlnEE (8)

    (9)

    =

    i

    Ai

    iiFp n

    NkTlnEnpkTlnEE

    AADD NN et NN +

  • S.C. extrinsque /4

    Dpendance en temprature de la densit des porteurs dans un semi-conducteur extrinsque (exemple dun S.C. extrinsque de type N):- Pour des tempratures leves:

    Les transitions dlectrons de la B.V. vers la B.C. sont prdominantes, les atomes donneurs ne jouent aucun rle significatif (ils sont tous ioniss), on retrouve alors la dpendance en temprature de la densit de porteurs intrinsques ni: cest le rgime intrinsque

    - Pour des tempratures proches et plus basses que la temprature ambiante:

    La densit dlectrons dans la B.C. est constante et gale la densit de donneurs ND, lnergie thermique (kT) est suffisante pour ioniser tous les atomes donneurs, mais insuffisante pour crer un nombre consquent de porteurs intrinsques: on parle de rgime extrinsque ou rgime dpuisement des donneurs

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    ( )2

    EEEE et kT2

    EgexpTn soit npn VCiFni+

    =

    == (10)

    C

    DCFnD N

    NkTlnEE et Nn +== (11)

  • S.C. extrinsque /5

    - Pour des tempratures proches du zro absolu:

    Lnergie thermique nest plus suffisante pour lionisation, on retrouve un rgime comparable au rgime intrinsque dans lequel lnergie dionisation des donneurs Ed=EC-ED vient remplacer le rle que jouait lnergie de gap Eg en rgime intrinsque: cest le rgime de gel des porteurs (carrier freeze-out)

    La densit des porteurs est directement proportionnelle la racine carre de la concentration des atomes donneurs et dcrot exponentiellement temprature dcroissante

    temprature laquelle apparat le gel des porteurs

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    ( )2

    EEE et kT2

    EdexpTn soit kT2

    Edexp2NNn DCFn

    21DC +

    = (12)

    (13) km2

    h4

    NT :dfini on 2

    NN Pourn

    232D

    FD

    C

    ==

  • S.C. extrinsque /6

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 20

    iDiDD npn , Nn , NN >>++

    - Rgime intrinsque: (hautes tempratures)ionisation complte des porteurs intrinsques

    nnp , Nn , n N et NN 2iDiDDD >>+++

    - Rgime extrinsque: (tempratures ambiante et basses)ionisation complte des atomes donneurs

    nnp et NNn , nN 2iDDiD ++

    - Rgime de gel des porteurs: (trs basses tempratures)ionisation incomplte des atomes donneurs

    Dpendance en temprature de la densit des porteurs n dans un semi-conducteur de type N:

  • Gel des porteurs (freeze-out)

    Consquence du gel des porteurs sur la conductivit:

    - Malgr une augmentation de la mobilit des porteurs basses tempratures, la conductivitdun S.C. en rgime de gel des porteurs dcrot exponentiellement temprature dcroissante faute de porteurs libres en quantit suffisante pour pouvoir assurer la conduction

    - Le phnomne est moins prononc dans un S.C. fortement dop car, mme si le rgime de gel des porteurs se manifeste plus haute temprature, en terme de conduction, il importe davantage de considrer, pour une temprature donne, laccroissement de la densit des porteurs (en contrepartie un fort dopage rduit la mobilit des porteurs [SZE-81])

    - Lnergie dionisation Ed est de 44 meV pour le Si et 12 meV pour le Ge, tous deux dops au phosphore, le Ge subit donc moins fortement leffet de gel des porteurs [KIR-90]:

    Ainsi, pour un dopage ND3x1018cm-3, le gel des porteurs se manifeste pour T40K dans le Si contre T20K dans le Ge mme densit de porteurs

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    ( )

    kT2EdexpT suite par qn:N type de S.C. un Pour n (14)

  • S.C. extrinsque dgnr

    Semi-conducteur extrinsque dgnr:Dans le cas d'un S.C. extrinsque dgnr le phnomne de gel des porteurs n'affecte pas, ou peu, les mcanismes de conduction:

    - La concentration dimpurets introduites est en gnral de lordre de 1016 1018 atomes par cm3 selon les domaines dapplication

    - Lorsque la concentration en impurets est leve, trs suprieure 1018cm-3 pour le Ge et le Si, les niveaux donneurs et accepteurs slargissent jusqu toucher le bord des bandes voisines: le S.C. extrinsque est dgnr, les atomes donneurs ou accepteurs ne requirent alors aucune nergie thermique pour leur ionisation

    - Les proprits de conduction du S.C. sont alors similaires celles dun mtal faiblement conducteur

    - Si la dgnrescence est difficilement atteinte dans le Si (concentrations >1019cm-3) en revanche elle lest plus facilement dans lAsGa ds lors que le niveau de dopage est de lordre de 1016cm-3, ce qui est commun pour ce genre de matriau, cest pourquoi les MESFET AsGa sont le plus souvent utiliss pour des applications cryogniques trs basses tempratures (T4,2K) [ALE-95] [CAM-96]

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  • Structures htrognes

    Systme htrogne:Dans un composant actif de base (diode, transistor bipolaire, transistor MOS ), constitu de la juxtaposition de plusieurs S.C. diffremment dops et/ou de natures diffrentes, en labsence de polarisation, lquilibre thermodynamique impose que le potentiel lectrochimique soit le mme en tout point de la structure (alignement des niveaux de Fermi)

    Lapplication dune diffrence de potentielle (d.d.p.) aux bornes des diffrentes jonctions cre un dsquilibre qui conditionne le dplacement des porteurs de part et dautre des interfaces:

    Le signe et lamplitude de la d.d.p. applique permettent alors de contrler la direction et lintensit 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 mcanismes de diffusion de part et dautre des jonctions nanmoins ces effets vont pouvoir tre compenss en ajustant en consquence les valeurs des d.d.p. appliques

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  • Jonction PN /1

    Jonction PN non polarise:

    Lors de la mise en contact de deux S.C. dops P et N, apparat, de part et dautre de la jonction, une d.d.p. interne Vd qui tend rtablir lquilibre thermodynamique (compensation de la diffrence des nergies de Fermi EFp et EFn des deux matriaux):

    Elle correspond la tension de seuil dune diode qui est classiquement de 0,7V lambiante dans une jonction Si et de 0,35V pour une diode au Ge

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 24

    300K mV 26q

    kTavec V nNNlnV

    qEE

    V T2i

    DAT

    FnFpd ==

    = (15)

  • Jonction PN /2

    - A la mise en contact, les porteurs majoritaires diffusent de part et dautre de linterface pour se recombiner dans les zones o ils sont minoritaires, faisant apparatre une zone de charge despace (ZCE), compose datomes accepteurs ioniss ct P (charges ngatives) et datomes donneurs ioniss ct N (charges positives); il en rsulte un champ lectrique interne qui entrane la drive des porteurs minoritaires donnant ainsi naissance un courant extrmement faible, appel courant de saturation IS, qui, en l'absence de polarisation, compense le courant des porteurs majoritaires IM

    AD aire de la jonction, permittivit du S.C., Dn, Dp constantes de diffusion et Ln, Lp longueurs de diffusion des porteurs minoritaires

    - En prsence dune polarisation VD applique entre P et N:

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    T

    dD0M V

    VVexpII = (18)

    +==

    =

    n

    nD

    p

    pAD0

    DA

    2i

    0T

    d0S L

    DNLDN

    qAI avec NN

    nIVVexpII (16)

    21

    D2p

    pp

    21

    A2n

    nn Nq2

    kTL , qkT

    D et Nq2

    kTL , qkTD

    =

    =

    =

    = (17)

  • Jonction PN /3

    Polarisation directe:Pour VD>0V, la hauteur de la barrire de potentielle diminue, passant de Vd Vd-VD, les lectrons peuvent alors diffuser de la zone N vers la zone P et inversement pour les trous, le courant des porteurs majoritaires associ augmente (IM>>IS) entranant un accroissement exponentiel du courant total pour VD > quelques VT:

    Polarisation inverse:Pour VD quelques VT, il y a une augmentation de la hauteur de la barrire de potentielle, la diffusion des porteurs majoritaires est bloque, seuls les porteurs minoritaires, propulss par le champ lectrique associ VD-Vd, atteignent la rgion oppose:

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 26

    == 1

    VVexpIIII

    T

    DSSMD (19)

    SD II (20)

  • Jonction PN /4

    Largeur et capacit de la ZCE:- Lexpression de la largeur de la ZCE sobtient partir de lquation de neutralit lectrique qui implique lgalit du nombre de charges positives prsentes dans la zone dserte (de largeur WZCE,n) du S.C. dop N et ngatives dans la zone dserte (de largeur WZCE,p) du ct P:

    - La largeur de la ZCE stend donc davantage dans le S.C. le moins dop et varie galement en fonction de la d.d.p. applique, ainsi la ZCE a tendance slargir en polarisation inverse et se rtrcir en polarisation directe

    - La capacit de la zone de transition peut tre assimile celle dun condensateur plan dont la valeur est inversement proportionnelle la largeur de la ZCE, elle est donc plus importante en rgime de polarisation direct quen polarisation inverse

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 27

    ( ) 21

    DA

    21Dd

    n,ZCEp,ZCEZCEp,ZCEAn,ZCED N1

    N1

    qVV2WWW suite par WNWN

    +

    =+== (21)

  • Jonction PN /5

    Dpendances en temprature:- A mesure que la temprature dcrot, les niveaux de Fermi EFp et EFn dans les zones dopes P et N se rapprochent du haut de la B.V. et du bas de la B.C. respectivement, il en rsulte un accroissement de la tension de seuil: une consquence directe est laugmentation de la tension requise pour polariser en direct la jonction base metteur dun transistor bipolaire

    - Le courant de saturation dpend essentiellement de la temprature au travers de la concentration des porteurs intrinsques si bien que le courant de fuite dune diode polarise en inverse dcrot exponentiellement temprature dcroissante: il sen suit une forte rduction des courants de fuite, prsents au niveau des jonctions drain-substrat et source-substrat dun transistor MOS, et qui contribuent, lambiante, la dgradation de ses performances frquentielles

    - La largeur de la ZCE dune jonction polarise en inverse tend slargir et donc sa capacit diminuer temprature dcroissante: ainsi, la capacit de jonction base-collecteur CjCB dun transistor bipolaire fonctionnant basse temprature sen trouve rduite, celle-ci pouvant limiter la bande passante par effet Miller selon la valeur de limpdance prsente en entre du transistor

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 28

  • Jonction mtal isolant semi-conducteur /1

    Structure MOS idale et cration dune zone dinversion sous la grille:

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 29

    Hypothses:

    - diffrence entre les travaux de sortie et du S.C. m-s=0

    - pas dtats dinterface (impurets piges lors du dpt de loxyde)

    - pas de charges dans lisolant

    - isolant parfait

    (pas de courbure de bande induite en labsence de polarisation)

  • Jonction mtal isolant semi-conducteur /2

    Influence de la temprature sur la cration dun canal dinversion sous la grille:- Lorsque la d.d.p. applique entre la grille et le substrat est suffisante pour attirer la surface de loxyde, ct substrat, une quantit significative dlectrons minoritaires et repousser les trous majoritaires (NMOS sur substrat P), il y cration dun canal dinversion sous la grille dans lequel vont pouvoir, par la suite, circuler les lectrons provenant de la source vers le drain par application dune d.d.p. entre ces deux bornes

    - Cette tension de seuil VT correspond lnergie quil faut fournir pour courber les bandes dnergie, cot substrat, afin que le niveau de Fermi EFp se positionne largement au dessus du niveau de Fermi intrinsque Ei linterface oxyde S.C.

    COX capacit de loxyde, Vb potentiel de substrat

    - A temprature dcroissante, EFp se rapproche du haut de la bande de valence EV contribuant ainsi une augmentation de la tension de seuil, autrement dit, basse temprature, la cration du canal dinversion sous la grille requiert une d.d.p. grille substrat plus importante

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 30

    ( ) ( )OX

    21A

    i

    AFi

    21FiFiT C

    N2q et nNln

    qkTavec Vb22V ==+= (22)

  • Mobilit des porteurs

    Domaine des tempratures hautes et proches de lambiante:Dans cette gamme de temprature la mobilit des porteurs est affecte par les vibrations des atomes du rseau sous leffet de lagitation thermique (interactions avec les phonons), pour un S.C. intrinsque ou extrinsque faiblement dop:

    Cette loi empirique nest pas toujours vrifie exprimentalement, ainsi la mobilit des porteurs dans du Si et du Ge faiblement dops varie au voisinage de lambiante comme [SZE-81]:

    Domaine des basses tempratures:A basse temprature, la mobilit dun S.C. extrinsque non dgnrdcrot temprature dcroissante et varie comme linverse de la concentration en impurets Ni:

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 31

    ( ) 231i TNT + (25)

    ( ) 23TT (23)

    ( ) ( ) ( ) ( ) 3,2Ge,p7,1Ge,n2,2Si,p4,2Si,n TT,TT et TT,TT (24)

  • TRANSISTORS MOS:

    Comportement temprature cryognique

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 32

  • Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 33

    Transistors MOS /1

    Utilisation de transistors MOS temprature cryognique:Hormis le fait de devoir disposer de modles de simulations valides pour la conception (cette difficult ne se limite pas quaux transistors MOS), lutilisation de la technologie MOS pour des applications 77K est envisageable et prsente mme de nombreux intrts notamment dans le domaine du numrique:

    - Les effets cumuls de laugmentation de la mobilit des porteurs et par suite celle de la transconductance, dune ventuelle diminution de la capacit de grille et de la rduction des courants de fuite font que, globalement, les transistors sont plus rapides basse temprature

    - Ainsi, des tudes menes sur des oscillateurs en anneaux raliss partir de portes CMOS montrent quen abaissant la temprature de 300K 77K il est possible de rduire de 30 50% le temps de commutation dune porte lmentaire, ou rciproquement, de pouvoir rduire dans les mmes proportions la tension dalimentation et par consquent la consommation pour une frquence de fonctionnement fixe [YOS-05]

    Dans le domaine de lanalogique les intrts sont galement nombreux, en revanche, le choix du point de fonctionnement savre dterminant surtout lorsque, faute de pouvoir disposer de modle de simulation, on est contraint dextrapoler des rsultats obtenus lambiante pour prdire des performances basse temprature, il convient alors de sintresser lvolution en temprature des caractristiques statiques

  • Transistors MOS /2

    volution en temprature de la caractristique de transfert dun MOS:- Les caractristiques dun transistor MOS dpendent de la temprature au travers de deux paramtres qui sont la mobilit des porteurs et la tension de seuil VT, tous deux fonctions croissantes temprature dcroissante si bien que dans lexpression du courant de drain dun transistor MOS en rgime de saturation, pour deux tempratures de fonctionnement T0 et T1, leurs variations se compensent pour une tension VGS donne:

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 34

    ( )2TGSOXDS VVLW

    2CI = (26)

    - Laugmentation de la mobilit des porteurs basse temprature contribue globalement une augmentation de la transconductance (augmentation de la pente de la caractristique de transfert en rgime de forte inversion):

    DS

    GS

    IVgm

    = (27)

  • Transistors MOS /3

    Point de polarisation drive nulle en temprature:- Il est dusage de considrer quau voisinage de la temprature ambiante la tension de seuil varie linairement:

    - En supposant que cette approximation reste valable jusquaux tempratures cryogniques, on peut alors montrer que lorsque la mobilit des porteurs est exactement proportionnelle T-2[LAK-94] [FAB-02] il existe un point dintersection unique par lequel passent toutes les caractristiques de transfert quelle que soit la temprature du domaine considr i.e. un point de fonctionnement indpendant de la temprature (ZTC pour Zero Temperature Coefficientbiasing) [SHO-89] [MAN-95] [FIL-01]

    - Dans la pratique, peu de ralisations font tat de lexploitation de cette particularit, du moins temprature cryognique, ce qui sexplique en partie par le fait que la condition portant sur la mobilit dpend fortement du dopage pratiqu et de ltendue de la plage de temprature considre, par ailleurs, si pour une technologie donne ce point de fonctionnement existe encore faut il quil soit compatible avec une ralisation basse consommation

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 35

    ( ) ( ) ( ) ambiantel' C2mV/avec TTTVTV VT0VT0TT += (28)

  • Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 36

    Kink Effect dans les MOS /1

    Evolution en temprature des caractristiques de sortie:Si les caractristiques de sortie des transistors MOS restent exploitables 77K, en revanche, 4,2K elles sont gnralement entaches de discontinuits qui dans le meilleur des cas rduisent la dynamique utilisable [DIE-88] [SIM-89] [SIM-90] [SIM-93]

    Ce phnomne, connu sous le terme de kink effect, se traduit par lapparition de discontinuits en forme de marches descalier sur les caractristiques de sortie IDS=f(VDS), il est en gnral prcd, pour des tempratures T

  • Kink Effect dans les MOS /2

    - Le courant de trou rsultant, ISub, svacue alors au travers du substrat lui-mme soumis au phnomne de gel des porteurs et prsentant de fait une trs forte valeur de rsistance intrinsque RSub- A mesure que la tension VDS crot, la proportion de trous crs par ionisation par impact augmente tout comme la d.d.p. aux bornes de RSub, ce qui tend accrotre le potentiel de la zone non dserte du substrat situ sous la grille, VBi, et ce, jusqu ce que la diode source-substrat devienne polarise en direct et se mette conduire

    - Le potentiel dans cette zone du substrat est alors fix par la tension de seuil intrinsque de la jonction source-substrat et le reste au-del 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 caractristiques de sortie

    A noter que ce phnomne est bien plus important dans les transistors NMOS que dans les PMOS pour lesquels les trous, qui participent la conduction dans le canal, sont moins mobiles que les lectrons dans un NMOS et vont donner lieu des taux dionisation par impact bien plus faibles

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 37

  • Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 38

    Kink Effect dans les MOS /3

    Illustration du kink effect dans un NMOS:

  • Kink Effect dans les MOS /4

    Solution:Pour contourner la limitation impose par le kink effect dans le domaine de lanalogique, certains [CRE-02] [MER-05] emploient des techniques dj prouves en technologie CMOS SOI qui consistent limiter lexcursion de la tension drain-source des transistors NMOS utiliss de sorte que VDS

  • Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 40

    Hystrsis prcdant le kink effect /1

    Dans lexemple dun transistor NMOS, les processus dionisation des atomes accepteurs dans le substrat, soumis au phnomne de gel des porteurs, sont trs lents: ils s'accompagnent dun rgime transitoire caractris par une constante de temps ion de l'ordre de la seconde voire la dizaine 4,2K alors qu'elle est de l'ordre la nanoseconde 300K

    Il convient alors de remplacer NA par dans lexpression de la tension de seuil VT (cf. eq.22)

    Pour VDSVDSSAT, le champ lectrique intense qui rgne entre lextrmit du canal dinversion et le drain induit une ionisation par impact, le rgime transitoire qui caractrise ce mcanisme se traduit alors par une croissance lente de la tension de seuil VT et inversement par une dcroissance progressive du courant de drain IDS (cf. eq.28)

    Par suite, lorsque lon relve la caractristique de sortie du transistor VDS croissant, en fonction de la vitesse dvolution de cette tension, les processus dionisation induits partir de VDSVDSSATvont avoir plus ou moins le temps datteindre le rgime tabli entre deux points de mesures

    ( ) 4,2K 10s 1 deavec texp1NtN ionion

    AA

    = (30)

    ( )tNA

  • Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 41

    Hystrsis prcdant le kink effect /2

    Il sensuit qu VDS croissant et pour VDS

  • Latch-up /1

    Origines:- Le phnomne se produit ds linstant o la d.d.p. aux bornes de lune des rsistances Rsubou Rwell est suffisante pour mettre en conduction lun des deux transistors bipolaires parasites

    - Lappel de courant, suscit par ce transistor, va permettre alors au second transistor de conduire son tour, le systme est donc auto-entretenu

    - La mise en conduction de ces deux transistors court-circuite lalimentation du circuit, ce qui le rend inutilisable, pouvant mme provoquer une dtrioration locale et dfinitive si lon ne prend garde limiter le courant dalimentation

    - Le phnomne de latch-up peut avoir lieu au cours de rgimes transitoires (mise sous tension, commutation simultane de plusieurs transistors lintrieur du circuit, ), de dcharges lectrostatiques au travers de plots non protgs ou bien encore lorsque le circuit est soumis des radiations (applications spatiales)

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 42

  • Latch-up /2

    Le domaine des tempratures cryogniques permet dtre moins sensible au phnomne de Latch-up:- Chute du gain en courant des transistors bipolaires parasites (les BJT Si classiques ont un qui typiquement, selon les niveaux de dopage pratiqus [BUH-69], vaut une centaine lambiante, tend vers la dizaine pour T=77K et est infrieur lunit pour des tempratures T=4,2K [HAN-86])

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 43

  • TRANSISTORS BIPOLAIRES:

    Comportement des transistors bipolaires

    homo-jonction Si et htro-jonction SiGe

    trs basse temprature

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 44

  • Transistors bipolaires /1

    Utilisation des transistors bipolaires tempratures cryogniques:- Lutilisation des transistors bipolaires dans le domaine de linstrumentation analogique prsente de nombreux avantages, en particulier, pour lamplification en tension de signaux issus de sources basses impdances: les transistors bipolaires prsentent, mmes surfaces et mmes courants de polarisation, une transconductance bien plus leve et un niveau de bruit (bruit thermique et bruit "en 1/f") bien plus faible que celui des transistors MOS

    - Nanmoins le transistor bipolaire classique sur silicium (BJT pour Bipolar Transistor Junction) est le plus souvent cart des applications cryogniques en raison de la chute de son gain en courant pour des tempratures T100K [BUH-69] [KIR-90]

    - Toutefois, avec lavnement du transistor bipolaire htro-jonction SiGe (HBT pour Heterojunction Bipolar Transistor) de nombreuses tudes dmontrent laptitude de ce composant pouvoir fonctionner temprature cryognique (77K et 4,2K) avec un comportement radicalement oppos celui de son prdcesseur homo-jonction et des performances intrinsques accrues [CRE-05]

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 45

  • Transistors bipolaires /2

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 46

    L'effet transistor consiste contrler le courant de la jonction base-collecteur polarise en inverse, par une injection de porteurs minoritaires dans la base partir de la jonction base-metteur polarise en direct:

    - Pour un transistor NPN, la jonction base-metteur injecte une grande quantitd'lectrons dans la base (InE>>IpEIB puisque ND,E>>NA,B), augmentant ainsi la concentration en porteurs minoritaires dans cette rgion

    - Sous l'action du champ lectrique intense qui rgne au voisinage de la jonction base-collecteur, ces lectrons sont propulss vers le collecteur

    - Ainsi, la jonction base-collecteur se voit traverse par un courant important (ICInE) bien quelle soit polarise en inverse

  • Transistors bipolaires /3

    - Les lectrons injects de lmetteur vers la base diffusent perpendiculairement aux plans desjonctions sous laction de la polarisation directe:

    AE surface de la jonction base metteur, niB concentration intrinsque des porteurs dans la base, NA,B et WB respectivement le dopage et la largeur de la base

    - Une faible proportion de trous injects dans la base se recombinent avec les lectrons qui diffusent de lmetteur vers le collecteur (Irec), il importe que WB soit petite pour minimiser ce phnomne; la majorit des trous parvient nanmoins atteindre lmetteur constituant ainsi le courant de base:

    - Si les recombinaisons sont faibles dans la base, le courant de collecteur est sensiblement gal au courant dlectrons qui diffusent de lmetteur vers la base:

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 47

    BBA,BB

    2iBnE

    ST

    BESnE WNQ et Q

    nDqAIavec VVexpII ==

    = (31)

    (32)21

    E,D2p

    T

    BE

    E,D

    2iEpE

    pEB Nq2kTLavec

    VVexp

    LpNnDqA

    II

    =

    =

    nEC II (33)

  • Transistors bipolaires /4

    Efficacit dinjection de lmetteur:Lefficacit dinjection dmetteur reflte le rendement global de leffet transistor:

    Gain en courant:Un transistor bipolaire est gnralement caractris par son gain en courant:

    - Pour garantir une efficacit dinjection dmetteur proche de lunit et un gain en courant lev il faut combiner un fort dopage dmetteur et un faible dopage de base associ une faible largeur de base compare la longueur de diffusion des trous dans lmetteur

    - En contrepartie, le sous-dopage de la base entrane une rsistance intrinsque de base leve RBi, tandis que le sur-dopage de lmetteur accrot la capacit de jonction base collecteur CjCB

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 48

    =

    ==kT

    EgEgexpWNLN

    nn

    WNLN

    II

    II BE

    BB,Ap

    pE,Dn2

    iE

    iB

    BB,Ap

    pE,Dn

    pE

    nE

    B

    C (35)

    nn

    LNWN

    1II

    I-12

    iB

    iE

    pE,Dn

    BB,Ap

    pEnE

    nE

    +=+

    = (34)

  • Transistors bipolaires /5

    Le transistor bipolaire htro-jonction SiGe:- La technologie bipolaire htro-jonction SiGe a t initialement dveloppe pour rpondre aux besoins grandissants, suscits par lessor des moyens de tlcommunications modernes, de disposer de transistors de plus en plus rapides et pouvoir supplanter dans ce domaine les technologies AsGa juges coteuses

    - Lnergie de gap du Ge (0,66eV lambiante) tant plus faible que celle du Si (1,12eV), il est possible, en incorporant une quantit contrle de germanium dans la base, constitue initialement de silicium, de rduire la bande interdite dans cette rgion

    - Lhtro-jonction ainsi constitue confre alors au transistor des performances frquentielles accrues

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 49

  • Transistors bipolaires /6

    Intrt de lhtro-jonction:- Elle permet de rduire la barrire de potentielle prsente aux lectrons tout en augmentant celle prsente aux trous: pour un mme courant de trous (IpE) les lectrons sont plus nombreux franchir la base (InE), il en rsulte une meilleure efficacit dinjection dmetteur ainsi quun gain en courant plus important

    - Plutt que de bnficier dun accroissement du gain en courant, il est alors possible daugmenter le dopage de base et de rduire celui de lmetteur, il sen suit une diminution de la rsistance intrinsque de base RBi et de la capacit de jonction base-metteur CjCB, ces deux volutions permettent daugmenter les frquences limites du transistor (fT et fmax)

    - De plus, le profil graduel de Ge permet dacclrer les lectrons dans la base, ce qui rduit le temps de transit dans la base B et donc daugmenter considrablement la frquence de transition (fT>100GHz)

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 50

    21

    Tmax

    1

    BjCBjEB

    Tff et

    CC1f

    =

    ++

    =

    (36)jCBBiCR8gm2

  • Transistors bipolaires /7

    Prdispositions du HBT SiGe fonctionner temprature cryognique:Bien que ce ne soit pas sa vocation initiale, il se trouve que lhtro-jonction confre ce type de transistor des prdispositions pouvoir fonctionner temprature cryognique (meilleure efficacit dinjection de lmetteur, accroissement de la tension dEarly, base moins sensible au freeze-out ), en particulier lorsque la quantit de Ge introduite dans la base est suffisante, on observe un comportement radicalement oppos celui du BJT Si en terme de gain en courant

    Rduction apparente de lnergie de gap dans un S.C. fortement dop:La principale contribution de la dpendance en temprature dun transistor bipolaire rsulte des effets de fort dopage [TAN-80] [DUM-81] [ALA-85]

    Conventionnellement, pour rendre compte des effets lis au fort dopage dun S.C. dans les quations de transport tout en conservant leurs formes originelles on introduit un paramtre de rduction apparente de lnergie de gap, il sagit dun paramtre phnomnologique dans la mesure o il ne reprsente pas physiquement une variation relle de lnergie de gap, par suite:

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 51

    0Egavec kTEgexpn

    kTEgEgexpNNn app

    app2i

    app

    VC2

    dopage fort , i >

    =

    = (37)

  • Transistors bipolaires /8

    Dpendance en temprature du gain en courant dun BJT Si:

    Dans le cas dun BJT, la nature des matriaux utiliss dans la base et lmetteur est la mme, cependant lmetteur tant plus fortement dop que la base, le phnomne de rduction apparente de lnergie de gap est donc plus prononc dans lmetteur que dans la base:

    Par consquent, le gain en courant dun transistor bipolaire homo-jonction classique sur silicium dcrot exponentiellement temprature dcroissante

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 52

    ( ) ( )

    =kT

    EgEgEgEgexpWNLN appBB

    appEE

    BB,Ap

    pE,DnSi (38)

    appB

    appEB,AE,DSiBE EgEgonc d NN et EgEgEg >>>>== (39)

    0Egavec kTEgexp)T( soit

    kTEgexp

    WNLN app

    E

    appE

    Si

    appE

    BB,Ap

    pE,DnSi >

    (40)

  • Transistors bipolaires /9

    Dpendance en temprature du gain en courant dun HBT SiGe:Un transistor bipolaire htro-jonction SiGe subit le mme phnomne li au fort dopage de lmetteur, en revanche dans lexpression du gain en courant figure, sous lexponentielle, un terme supplmentaire qui correspond la diffrence entre lnergie de gap de lmetteur et celle de la base

    Lorsque la quantit de Ge incorpore dans la base est suffisante pour compenser la rduction apparente du gap dans lmetteur (cest le cas pour la plupart des technologies modernes), le comportement du transistor est radicalement oppos celui dun classique BJT puisque son gain en courant crot exponentiellement temprature dcroissante [TIA-05] [PRE1-06]

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 53

    ( ) ( )

    =kT

    EgEgEgEgexp

    WNLN appSiGe,BSiGe,B

    appSi,ESi,E

    BB,Ap

    pE,DnSiGe (41)

    appSiGe,B

    appSi,EB,AE,DSiGeSiSiGe,BSi,E EgEgonc d NN et 0EgEgEg >>>>>= (42)

    kT

    EgEgexp)T( soit

    kTEgEg

    expWNLN appSi,ESiGeSi

    SiGe

    appSi,ESiGeSi

    BB,Ap

    pE,DnSiGe (43)

  • Transistors bipolaires /10

    Amplification en tension, montage metteur commun:Dans le cadre dune amplification en tension, le premier paramtre prendre en compte est la transconductance gm, elle dtermine le gain en tension AV dun montage metteur commun:

    Ainsi, en supposant la rsistance de charge RL indpendante de la temprature et pour un courant de collecteur IC fix, le gain en tension, qui dpend directement de la temprature au travers de la transconductance, doit donc crotre, en thorie dun facteur 4 de 300K 77K et dun facteur 70 de 300K 4,2K

    Paramtre dajustement de la transconductance:

    Dans la pratique, il savre que laccroissement de la transconductance est moindre, aussi, pour tenir compte de cette volution, de la mme manire quil est dusage daffecter la tension VTdans lexpression de IC un facteur didalit pour traduire les effets de faible ou de forte injection, on peut remplacer ce facteur par un paramtre dajustement global permettant en outre dintgrer les effets lis la temprature [PRE1-06]

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 54

    qkTI

    VIgmavec Rgm

    vinvoutA C

    BE

    CLV =

    === (44)

    (45)nt typiqueme4,2K 20 10 de et77K 2 1 deavec qkTIgm C

    =

  • Transistors bipolaires /11

    Impdance diffrentielle dentre et gain en courant:Toujours dans le cadre dune amplification en tension, le second paramtre prendre en considration est limpdance diffrentielle dentre h11, qui doit tre grande devant limpdance de la source, ce paramtre subit directement la dpendance en temprature du gain en courant:

    En particulier, une tude mene sur le classique BJT Si 2N2222A du commerce [PRE2-06] montre, quen raison de la forte dcroissance du gain en courant, limpdance diffrentielle dentre passe dune valeur de lordre du kilo-ohm 300K une centaine dohms 77K ce qui reste malgr tout compatible avec lutilisation de sources trs basses impdances (

  • RESULTATS DE CARACTERISATIONS:

    Comportement de la technologie

    BiCMOS SiGe 0,35m dAMS 4,2K

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 56

  • Transistors HBT SiGe /1

    Transconductance et facteur dajustement:- Les rsultats prsents [PRE1-06] ont t obtenus sur un transistor bipolaire de la technologie BiCMOS SiGe 0,35m dune aire AE=8m0,4m=3,2m2

    - Les valeurs mesures de la transconductance 77K et 4,2K sont plus faibles que celles estimes partir de la thorie, on en dduit un facteur dajustement compris entre 1 et 2 77K et entre 10 et 20 4,2K

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 57

  • Transistors HBT SiGe /2

    Gummel plot:Le Gummel plot sobtient en appliquant une mme tension sur la base et sur le collecteur du transistor, les courants IB et IC mesurs indpendamment sont ensuite reprsents sur une mme chelle semi-logarithmique en fonction de la tension VBE ce qui permet dextraire la transconductance (pente de IC), le gain en courant (cart entre IC et IB) et de mettre en vidence les diffrents rgimes de fonctionnement

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 58

  • Transistors HBT SiGe /3

    Gain en courant:Contrairement la technologie BiCMOS SiGe 0,8m dAMS, pour laquelle visiblement la quantitde Ge introduite dans la base ne permettait pas de compenser la rduction apparente du gap dans lmetteur, la technologie BiCMOS 0,35m dAMS prsente un comportement radicalement oppos avec un gain en courant qui globalement crot temprature dcroissante

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 59

  • Transistors HBT SiGe /4

    Impdance diffrentielle dentre:Laugmentation du gain en courant basse temprature et en particulier 77K permet de bnficier dune impdance diffrentielle dentre suffisante, 10k 4,2K pour un courant de collecteur de 1mA, dans le cadre dune amplification en tension [PRE3-06] [PRE4-06]

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 60

  • Transistors HBT SiGe /5 Caractristique de sortie:On constate la prsence dune zone rsistance diffrentielle ngative, particularit que lon retrouve dans certains composants exploitant leffet tunnel, ainsi quun dcalage de 300mV de la caractristique qui peut sexpliquer par une augmentation des recombinaisons dans la base trs basse temprature [MAL-01]: ces recombinaisons absorbent tout le courant de base, interdisant lapparition de leffet transistor tant que la tension VCE nest pas suffisante pour propulser les lectrons de lmetteur vers le collecteur

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 61

  • Transistors MOS /1

    Caractristiques statiques d'un transistor NMOS (W/L=5m/0,5m):De 300K 4,2K, laugmentation de la tension de seuil est denviron 300mV, les caractristiques de sortie releves trs basse temprature sont entaches de discontinuits en forme de marches descalier (kink effect), et ce, partir de VDS1,6V, elles sont galement prcdes dun lger phnomne dhystrsis

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  • Transistors MOS /2

    Transconductance (transistor NMOS W/L=5m/0,5m):Pour ce mme transistor, de 300K 4,2K, on observe une augmentation de la transconductance de l'ordre de 55% en rgime de forte inversion (VGS=2V)

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  • Transistors MOS /3

    Caractristiques statiques d'un transistor PMOS (W/L=15m/0,5m):Contrairement au transistor NMOS, les caractristiques de sortie ne prsentent ici pas de discontinuits, on note un accroissement de la tension de seuil du PMOS denviron 600mV lorsque la temprature est abaisse de 300K 4,2K, soit le double de variation que celle observe sur le NMOS

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  • Elments passifs

    Caractrisation 4,2K:- De 300K 4,2K, la rsistance dune piste daccs diminue dun facteur 10 et de 3 pour la valeur dune capacit poly-Si/poly-Si, on peut donc sattendre une forte rduction des rsistances et des capacits parasites dinterconnexion

    - Les coefficients de variation en temprature des rsistances poly-Si et poly-Si hautement rsistives sont de signes opposs (on note un comportement mtallique pour Rpoly2), de 300K 4,2K la valeur de la rsistance Rpolyh varie 2 fois plus que celle de la Rpoly2

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  • Rsistances Poly-Si

    Caractrisation du bruit "en 1/f":- La composante de bruit basse frquence dune rsistance de valeur R et daire A, parcourue par un courant I peut tre modlise par une densit spectrale de bruit en tension:

    - Indpendamment de la surface (paramtre KFA), la rsistance poly-Si hautement rsistive (Rpolyh) prsente un bruit "en 1/f" 5 fois plus important (en puissance) quune rsistance poly-Si classique (Rpoly2) 300K et 15 fois 4,2K

    - Le bruit "en 1/f" des rsistances intgres diminue basses tempratures: de 300K 4,2K, la dcroissance est 3 fois plus importante, en terme de puissance, pour les Rpoly2 que pour les Rpolyh

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    AKFKFavec

    fIRKFe A22

    2f/1,nR == (47)

  • Exemple de ralisation:Circuit damplification et de multiplexage pour la lecture dune matrice de TES au

    moyen de SQUID

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  • Observation du CMB

    Contexte:- Il sagit dune collaboration LISIF/APC pour la mise en uvre dune instrumentation destine lobservation du fond diffus cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background)

    - Ce travail sintgre dans le cadre du programme DCMB (Dveloppement Concert de Matrices de Bolomtres) initi par le CNES

    Les objectifs: - Les bolomtres supraconducteurs (TES) trs basse temprature critique (300mK) permettent datteindre, dans le domaine des ondes millimtriques et submillimtriques, la limite ultime lie au bruit de photon du rayonnement observ

    - Lamlioration de la sensibilit des instruments utiliss pour la mesure de la polarisation du CMB ncessite daugmenter considrablement le nombre de capteurs

    - La lecture dune grande matrice de TES requiert une lectronique ultra bas bruit damplification et de multiplexage, lutilisation dun premier tage SQUID simpose donc naturellement [CHE-99]

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 68

  • SQUID et FLL

    Linarisation de la caractristique dun SQUID:La linarisation de la caractristique dun SQUID permet daccrotre la dynamique du signal dentre in, elle ncessite la mise en uvre dune boucle verrouillage de flux (FLL pour FluxLocked Loop) qui comprend un amplificateur de tension de gain lev

    Afin de prserver les performances en bruit du SQUID, lamplificateur doit prsenter une tension quivalente de bruit en entre de lordre de la fraction de nV/Hz [PIA-06]

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 69

  • ASIC fonctionnant 4,2K

    Nous avons dvelopp un ASIC, en technologie standard BiCMOS SiGe 0,35m dAMS, qui permet la lecture dun dmonstrateur constitu dune matrice de 2 colonnes de 4 SQUID chacune:

    - Le premier tage de lecture des TES, constitu de lassociation en srie de SQUID que lon vient polariser tour tour, ralise un premier multiplexage en ligne

    - LASIC comporte les amplificateurs ncessaires la mise en uvre des SQUID, le systme de multiplexage quil reste effectuer entre chaque colonne de SQUID ainsi que les sources de courant de polarisation des SQUID et le circuit numrique dadressage de lensemble de la matrice [PRE5-06] [PRE6-06]

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  • Amplificateur cryognique /1

    Choix de la structure et dtermination du point de fonctionnement:Nous avons retenu une structure diffrentielle charges rsistives car elle autorise, au moyen de sources externes et notamment celle de courant de polarisation, un rajustement du point de fonctionnement si la drive en temprature des caractristiques des composants le ncessite

    Initialement, le point de fonctionnement est dtermin partir des rsultats exprimentaux collects au pralable:

    - La valeur du courant de polarisation IC pour les transistors de la paire diffrentielle est choisie en fonction des objectifs fixs en terme des performances en bruit (cf. eq.49)

    - La valeur de la rsistance de charge RL est dtermine en fonction du gain en tension (cf. eq.48) et du mode commun en sortie souhaits (la dynamique dans une moindre mesure car lamplitude des signaux ce niveau reste faible)

    - Les dimensions des transistors de la paire diffrentielle sont obtenues partir du Gummel plotreprsent en densit de courant, on se place dans une zone idale: entre le rgime de faible et de forte injection, l o le gain en courant est maximum, en vitant les zones de discontinuits

    Enfin, chacune des sorties de la paire diffrentielle est suivie dun tage collecteur commun afin de sortir les signaux sous basse impdance

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  • Amplificateur cryognique /2

    Architecture du multiplexage temporel:La fonction de multiplexage temporelle est gnralement ralise laide dinterrupteurs MOS:

    - Cette solution ne peut tre retenue dans le cadre dune application bas bruit, lamplification doit avoir lieu avant le passage par ces interrupteurs, sources potentielles dun bruit important

    - Par ailleurs, la mise en uvre de N amplificateurs pour la lecture de N voies nest pas compatible avec la ralisation dune grande matrice en terme de consommation dans le cadre dune application cryognique

    Afin de saffranchir des interrupteurs sur le chemin du signal, une solution consiste commuter les sources de courant de polarisation qui alimentent les N paires diffrentielles connectes une charge rsistive commune:

    Cette solution permet de disposer des performances dun amplificateur cryognique ultra bas bruit tout en bnficiant dun systme de multiplexage faible consommation

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  • Schma de lamplificateur multiplex

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    Gain en tension:

    DSP quivalente de bruit en tension ramene en entre dans la zone de bruit blanc:

    Performances estimes en fonction de la temprature:

    +=

    C

    2

    Bi2nIN I

    qkT2

    RkT42e (49)

    qkTIR

    vinvoutnvoutpA CLdiffV

    =

    = (48)

  • Dimensionnement des transistors

    Dimensionnement des transistors des paires diffrentielles:Le circuit tant destin tre aliment sous une tension de 5V, notre choix sest port sur des transistors NPN143h5 prvus cet effet, ils possdent en outre quatre accs la base et trois lmetteur, leur dimensionnement a t dtermin partir des Gummel plots relevs pour deux transistors NPN143h5 daires 1,92m2 (traits fin) et 192m2 (traits pais): en densit de courant, leurs comportements sont comparables ce qui permet dextrapoler ces rsultats pour des transistors de surfaces intermdiaires

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 74

  • Mesures /1

    Performances de lamplificateur:- Lamplificateur est aliment sous Vdd=5V, polaris par un courant externe de Ibias=1mA et consomme une puissance de P15mW

    - Entre 1kHz et 1MHz le gain en tension mesur en mode diffrentiel est de 40 (32dB) 300K, 180 (45dB) 77K et un peu plus de 250 (48dB) 4,2K

    - Dans cette mme bande frquence, la tension quivalente de bruit thermique ramene en entre dcrot de 1,4nV/Hz lambiante 0,5nV/Hz 77K et 0,2nV/Hz 4,2K

    - Le bruit basse frquence, trs consquent, rsulte du bruit "en 1/f" des rsistances de charges intgres en poly-Si hautement rsistif (caractrises aprs coup) alors que la contribution des HBT nest attendue quen dessous du kilohertz

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  • Mesures /2

    Tension quivalente de bruit ramene en entre de lamplificateur:

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  • Mesures /3

    Ralisation dune FLL:- Lamplificateur refroidi associ un SQUID (CS Blue Supracon) nous a permis de raliser une FLL et dobtenir un gain en tension de 80000 pour un capteur dune impdance de 1 (quivalente celle d'un TES) plac en entre du SQUID

    - Dans cette configuration on est capable de mesurer le bruit thermique dune rsistance de 47 4,2K soit le bruit intrinsque dun TES d1 300mK (4pV/Hz)

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    (a) Canne cryognique utilise pour les tests 4,2 K

    (b) Signaux en entre du SQUID et en sortie de lamplificateur SiGe en boucle ouverte: in > 2o

    (c) Linarisation de la caractristique du SQUID par la FLL constitue de lassociation, 4,2K, de lamplificateur SiGe et du SQUID reboucls

  • Mesures /4

    Multiplexage de lamplificateur:- Le bon fonctionnement 4,2K du circuit de commande transistors MOS qui ralise ladressage des amplificateurs et des sources de courant cadences par le signal dhorloge a tout dabord tvrifi avec succs

    - La fonction de multiplexage de lamplificateur a t ensuite teste en appliquant deux signaux de frquences diffrentes sur chacune des entres: on mesure en sortie ces signaux amplifis tour tour au rythme du signal enable

    - La matrice de 24 SQUID peut tre ainsi lue, les tests sont en cours

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 78

    Visualisation de la sortie de lamplificateur pour deux signaux dentres (200 Hz et 500 Hz) avec une frquence dhorloge de 20 kHz (soit un signal enable 2.5 kHz pour 8 pixels)

  • CONCLUSION:

    Quid de lutilisation de technologies standard

    pour des applications cryogniques

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  • Conclusion Lutilisation de technologies standard CMOS Si ou BiCMOS SiGe pour des applications cryogniques 77K, voire 4,2K, semble donc envisageable mais requiert une tape incontournable de caractrisation exprimentale pralable:Si le fonctionnement 77K des transistors MOS ou bipolaires SiGe ne suscite pas de difficults majeures et permet mme de bnficier d'un accroissement des performances globales, en revanche, l'utilisation de ces mmes transistors 4,2K n'a rien de trivial, en particulier, le phnomne de gel des porteurs conduit des dysfonctionnements qui peuvent s'avrer critiques et que seule une caractrisation pralable permet de mettre en vidence

    Par ailleurs, cette phase est le plus souvent rendue indispensable pour passer ltape de la conception car, faute de pouvoir disposer de modles de simulation valides et dfaut de les dvelopper, les rsultats de caractrisation permettent dextrapoler ceux obtenus par simulation lambiante pour prdire un fonctionnement basse temprature

    La technologie BiCMOS SiGe, notamment la 0,35m dAMS, semble tre le meilleur candidat:Polyvalente, puisquelle offre la possibilit de concevoir des circuits mixtes forte densitdintgration, compatible avec des applications basse consommation, elle dispose en outre, pour lanalogique, de transistors bipolaires htro-jonction SiGe aux performances accrues basses tempratures et enfin son cot reste faible comparativement aux technologies AsGa

    Fabrice Voisin : "Microlectronique Cryognique pour instrumentation bas bruit, Porquerolles 2007 80

  • Bibliographie /1 Ouvrages de rfrences:[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

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    la mise en oeuvre de dtecteurs bolomtriques supraconducteurs HTC Thse, Paris 6 - LISIF, 2002

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