Effets secondaires altérant le comportement idéal

Nous avons jusqu’ici décrit le comportement idéal du transistor bipolaire Si/SiGe:C et vu les principaux paramètres caractérisant ce transistor. Mais pour tout comportement idéal, il existe également des effets non idéaux qui font l’objet de cette quatrième partie.

Dans la réalité, l’architecture du composant est plus compliquée que la simple juxtaposition de deux jonctions qui définit la zone active du composant : il faut pouvoir connecter chacune des régions via le boîtier final, les isoler les unes des autres, etc., pour un comportement optimal comme on peut le voir rapidement sur la Figure 22.

Figure 22 : Architecture réelle d’un transistor bipolaire NPN

On détaillera cette architecture dans le chapitre II. Mais tout d’abord, nous allons voir d’où viennent les résistances, capacités et effets secondaires qui sont susceptibles d’éloigner le composant de son comportement idéal.

I. Résistances parasites

D’une façon générale, la résistance d’une région est définie comme sa capacité à ne pas conduire le courant. Un corollaire de la loi d’Ohm macroscopique donne I=U/R et on voit bien que pour une différence de potentiel U fixée, le courant I est d’autant plus faible que la résistance R est grande.

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Au sein du transistor bipolaire même, chaque zone du TBH génère des résistances : respectivement RE pour l’émetteur, RB pour la base et RC pour le collecteur. Nous détaillons

ici chacune de leur composante pour nous permettre de mieux comprendre l’origine de la variation de ces paramètres lors de l’analyse des résultats dans les chapitres III, IV et V.

Les schémas suivants décrivent les différentes composantes de chacune des résistances et permettent de rendre compte des éventuelles symétries. Les différentes contributions seront altérées différemment en fonction des conditions d’élaboration, modifiant ainsi les paramètres du composant. Elles dépendent essentiellement des profils de dopages et de la géométrie des régions concernées.

1.

La résistance émetteur R

REm : contribution liée à la connexion (contact + siliciure) de l’émetteur

REp : contribution liée au polyémetteur (dopage et épaisseur)

REi : contribution liée à l’interface entre l’émetteur et la base

REb : contribution liée à la zone de diffusion des dopants de l’émetteur vers la base

Chapitre I. Le transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C

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2.

La résistance de collecteur R

RSIC : contribution liée au SIC

RCE : contribution liée à la couche enterrée

RPC : contribution liée au puits collecteur

RCo : contribution liée au contact métallique du collecteur

Figure 24 : Composantes de la résistance collecteur

3.

La résistance de base R

Rcontact : contribution liée au contact métallique du polybase

Rpolybase : contribution liée au polysilicium faisant le lien entre le contact et la base

intrinsèque

Rlien : contribution liée à la qualité du lien entre le polybase et la base intrinsèque

Resp : contribution liée à la résistance de base située sous les espaceurs

Rbp : contribution résistance de base pincée (diffusion de porteurs de l’émetteur vers la

base)

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II. Capacités parasites

Les capacités de jonction à l’étude ici sont définies par la variation de charges Q stockées de part et d’autre de la zone de charge d’espace de la jonction concernée, par rapport à la tension V appliquée sur la jonction, en régime petit signal.

𝐶_𝑗 =𝑑𝑄

𝑑𝑉 ( 42 )

De fait, plus le niveau de dopage à la jonction est élevé, plus la capacité sera importante. De la même manière que précédemment, on présente dans les figures suivantes les différentes contributions des régions du transistor aux différentes capacités de jonction.

1.

La capacité de jonction émetteur / base CBE

CBE,i : contribution de la fenêtre émetteur, où se fait la jonction métallurgique entre la base et l’émetteur.

CBE,x : contribution à travers les espaceurs internes du transistor, entre les différentes zones de la base et de l’émetteur.

Figure 26 : Composantes de la capacité de jonction émetteur / base

2.

La capacité de jonction base / collecteur CBC

CBC,i : contribution au niveau de la cavité de l’oxyde piédestal, où se fait la jonction métallurgique entre la base et le collecteur.

CBC,x : contribution à travers l’oxyde piédestal et les tranchées d’isolation du transistor, entre les différentes zones de la base et du collecteur.

Chapitre I. Le transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C

45 Figure 27 : Composantes de la capacité de jonction base / collecteur

3.

La capacité de jonction collecteur / substrat CCS

CCS,i : contribution au niveau de la jonction métallurgique entre le collecteur et le

substrat, en-dessous de la couche enterrée.

CCS,x : contribution à travers les tranchées d’isolation profondes du transistor, qui détermine l’isolation du composant par rapport à son voisin.

Figure 28 : Composantes de la capacité de jonction collecteur / substrat

III.

Non idéalité du courant de base à faible injection

éloigner le courant de base de son comportement idéal : il s’agit des recombinaisons et de l’effet tunnel bande à bande. Voyons quels sont leurs mécanismes.

1.

Recombinaisons

Pour le calcul du courant IB dans la base, nous avons négligé les différents courants de

recombinaisons IpE dans la jonction émetteur/base et IrG dans la base neutre. Mais dans un cas

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périodicité du réseau cristallin et ainsi créer des niveaux d’énergie profonds dans la bande d’énergie interdite. Ces niveaux sont appelés des niveaux pièges au sein desquels peuvent intervenir les phénomènes de génération / recombinaison des porteurs de charge décrits dans la Figure 29. Chacun d’eux dépend du taux d’occupation des différents niveaux pièges et de la concentration en dopants des bandes de conduction et de valence du matériau. Ces phénomènes sont décrits par le modèle de Shockley-Read-Hall (Ashburn 2003).

Figure 29 : Les différents phénomènes de génération / recombinaison possibles dans le modèle de Shockley Read Hall (Mathieu 2009)