Non idéalité du courant de base à haute injection Pour de forts niveaux de courant I C , dit de « haute injection » des phénomènes secondaires

peuvent profondément bouleverser le comportement du transistor. Voici un bref résumé de ces différents phénomènes.

1.

Avalanche et tensions de claquage

A fort courant, un électron possède suffisamment d’énergie cinétique pour arracher un électron lors d’une collision et ainsi générer une paire électron-trou : c’est l’ionisation par impact. Sous condition d’un champ électrique suffisamment élevé, ce même électron peut à son tour générer une autre paire électron-trou et ainsi de suite, déclenchant alors le phénomène d’avalanche.

Figure 36 : Schéma du phénomène d'avalanche dans la jonction Base/Collecteur

Dans le cas de la jonction B/C par exemple, représenté sur la Figure 36, les électrons sont attirés par l’électrode positive du collecteur tandis que les trous se déplacent de proche en proche vers l’électrode négative de la base, augmentant ainsi fortement les courants.

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Figure 37 : Caractéristiques IC-VC pour différents courants de base IB, mise en évidence du phénomène

d’avalanche

Ce phénomène est susceptible de dégrader de façon permanente le composant à cause de l’échauffement dû aux forts courants. Pour cette raison, on définit les tensions de claquage (Breakdown Voltage) suivantes comme limites de polarisation à ne pas dépasser pour garder un transistor fiable avec une longue durée de vie :

 BVCEO : Tension de claquage de la jonction base/collecteur, caractéristique du transistor en

fonctionnement. Elle est définie telle que la valeur de VCB pour laquelle le courant de base

s’annule. Elle est de l’ordre de 1,5V pour les transistors rapides étudiés ici.

 BVCBO : Tension de claquage de la jonction base/collecteur, mesurée lorsque l’émetteur est

en circuit ouvert, c’est-à-dire que son électrode n’est reliée à aucun potentiel. Sa valeur est généralement comprise entre 5 et 7 V.

 BVEBO : Tension de claquage de la jonction émetteur/base, mesurée lorsque le collecteur

est en circuit ouvert. Sa valeur est généralement comprise entre 1 et 3 V. Il existe une relation entre BVCEO et BVCBO telle que:

𝐵𝑉_𝐶𝐸𝑂 =𝐵𝑉𝐶𝐵𝑂 √𝛽

𝑛 ( 45 )

Cette équation montre ainsi le compromis existant entre la tension BVCEO et le gain en

courant du transistor, les deux grandeurs étant inversement proportionnelles. L’indice n est généralement une valeur comprise entre 3et 6.

Une étude (Rickelt, Rein, and Rose 2001) a montré que l’on pouvait cependant utiliser le transistor au-delà de son BVCEO défini et a ainsi défini une SOA (Safe Operating Area) pour

laquelle le transistor bipolaire reste fiable.

2.

Effet Early

La largeur effective de la base neutre WB est définie par la position des ZCE, elles même

modulées par les polarisations VBE et VCB. Ces modulations correspondent respectivement à

Chapitre I. Le transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C 51 𝐼_{𝐶𝑛𝑜𝑟𝑚} = 𝐼𝐶 exp (𝑞𝑉𝐵𝐸 𝑘𝑇 ) = 𝐼_𝑆(1 −𝑉𝐵𝐸 𝑉𝐴𝑅 − 𝑉_𝐶𝐵 𝑉𝐴𝐹) ( 46 )

L’augmentation de la polarisation VBE (directe) va réduire la largeur de la ZCE B/E,

augmentant la largeur de base neutre WB (cf Figure 38). Pour obtenir une fréquence fT élevée

on a généralement besoin de profils de dopants très abrupts au niveau de la jonction E/B, pour un temps de transit τEB réduit, ce qui pénalise en contrepartie VAR. On peut évaluer VAR à partir

du courant collecteur, pour VBC = 0V, tel que :

𝐼_{𝐶𝑛𝑜𝑟𝑚} = 𝐼𝐶 exp (𝑞𝑉𝐵𝐸

𝑘𝑇 )

= 𝐼_𝑆(1 −𝑉𝐵𝐸

𝑉_𝐴𝑅) ( 47 )

Figure 38 : Illustration de l'effet Early inverse pour deux polarisations différentes

L’augmentation de la polarisation VBC (inverse) étend la zone de déplétion de la jonction

B/C dans la base, réduisant ainsi WB (cf Figure 39). VAF est généralement de l’ordre de

quelques centaines de volts. A VBE constant, et en connaissant au préalable VAR, on peut

extraire VAF grâce à l’équation ( 46 ) (Pourchon and Céli 2002).

Figure 39 : Illustration de l'effet Early direct, pour deux polarisations différentes (gauche). Caractéristique I-V d'un TBH mettant schématiquement en évidence VAF (droite)

Dans le cas du TBH Si/SiGe:C, des valeurs fortes de VAR et VAF seront également

indicatrices de la stabilité de la position de la ZCE de la jonction PN par rapport au profil de germanium, qui varie en fonction de la modulation des polarisations VBE et VBC. Si la ZCE par

exemple s’étend en dehors du profil de germanium, la position de l’hétérojonction Si/SiGe va créer une barrière parasite au niveau du diagramme de bandes (J. S. Yuan and Song 1997) (D.J. Roulston 1990) (Rabbi, Arafat, and Ziaur Rahman Khan 2011).

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3.

Perçage de la base

Etant donné les modulations des ZCE avec les polarisations, on peut alors considérer le cas où, pour une polarisation VCB élevée, les deux zones de charge d’espace peuvent se rejoindre

reliant ainsi l’émetteur et le collecteur par une ZCE unique, avant que le phénomène d’avalanche n’intervienne. Ce phénomène est appelé « perçage de la base » et est représenté Figure 40. Un courant important circule alors entre l’émetteur et le collecteur, et l’effet transistor n’existe plus. Une base fine et peu dopée favorise l’apparition de ce perçage. Ces deux conditions constituent donc des limitations dans la réduction de l’épaisseur du profil vertical du transistor bipolaire.

Figure 40 : Schématisation du perçage de la base

4.

Effet Kirk

L’effet Kirk (Kirk 1962) est un des phénomènes prépondérants dans la dégradation des performances fréquentielles du composant. C’est principalement à cause de cet effet que la fréquence fT décroit au-delà d’un certain courant IC (cf Figure 21). Il provient du fait que les

électrons injectés dans le collecteur se déplacent selon un mécanisme de dérive 𝑗⃗ = 𝜎𝐸⃗⃗. Compte-tenu du fort champ électrique qui règne à la jonction B/C, on peut considérer que les électrons vont atteindre leur vitesse limite vsat. On définit généralement le courant critique au-

delà duquel apparaît l’effet Kirk par (Ashburn 2003) :

𝐽_{𝑐𝐾𝑖𝑟𝑘} = 𝑞𝑁_𝑑𝐶𝑣_𝑠𝑎𝑡 ( 48 )

Dès lors, leur temps de transit τBC n’est plus négligeable dans la jonction B/C, et lorsque la

densité de courant devient importante, la concentration d’électrons injectés atteint puis dépasse le dopage collecteur NdC. Il en découle une extension importante de la zone de charge

d’espace dans le collecteur mais aussi une augmentation de la largeur de base effective WBeff

qui dégrade le temps de transit dans la base τB et donc le total τF, expliquant la chute de fT à

haute injection.

L’effet Kirk dépend directement du niveau de dopage dans le collecteur. Afin d’augmenter les performances fréquentielles du composant, il faut donc augmenter le dopage collecteur, ce qui dégrade de manière non négligeable la tenue en tension du composant.

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

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5.

Auto échauffement

Plus les courants sont importants dans la zone active, plus la température du transistor augmente. C’est la conséquence de l’effet Joule qui est fonction de la densité de courant et du champ électrique locaux. Le comportement idéal prévoit une augmentation du courant collecteur avec VCE. Quand il y a de l’auto-échauffement, la température augmente au cours

du temps ce qui provoque la diminution de IC à courant de base IB fixé, comme on peut le voir

dans la Figure 41 et conformément à son expression ( 2 ). Inversement, quand la polarisation

VBE est fixée, l’auto-échauffement provoque l’augmentation du courant IC en fonction de VCE.

Figure 41 : Caractéristiques IC-VC pour différents courants de base IB (gauche) et pour différentes valeurs

de polarisation VBE (droite), mise en évidence du phénomène d’auto-échauffement

Pour quantifier cet auto-échauffement on utilise le paramètre RTH qui est la résistance

thermique. Elle est étudiée dans le chapitre V dans une étude de l’impact des connexions métalliques sur le transistor.