Influence de l'épaisseur de base à dopage de base constant

La principale partie active du transistor bipolaire est la base, elle détermine en grande partie les performances statiques et dynamiques du composant. Lorsque l’épaisseur de la base change, le gradient d’électrons dans la base neutre varie. Une optimisation de l’épaisseur de la

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base aura donc une incidence directe sur les paramètres cruciaux du composant, tels que le gain en courant et les fréquences de transition et d’oscillation. La mise au point d’une structure à base fine permet de réaliser une optimisation conjointe du temps de transit dans la base τ_B, ainsi que de la résistance de celle-ci, améliorant ainsi les performances fréquentielles du composant.

 Le gain en courant

Le gain en courant d’un transistor bipolaire, de manière générale, peut s’écrire sous la forme : β = ^γE.α_T

1−γ_E.α_T (4.17) Où : γ_E désigne l’efficacité d’injection d’émetteur, et α_T le facteur de transport dans la base, défini par : α_T = ¹

cosh W B LB

(4.18)

Avec : WB : épaisseur de la base ;

LB : longueur de diffusion des porteurs minoritaires (ici électrons) dans la base. Pour une efficacité d’injection d’émetteur proche de l’unité (cas du HBT), le gain en courant de transistor peut s’écrire :

β ≈ ¹

cosh W B LB ⁻¹

(4.19)

Il apparaît clairement que le gain en courant du transistor augmente lorsque l’épaisseur de base diminue.

Dans les transistors classiques, si la base est trop fine, la largeur de la zone de charge d’espace BC s’étale sur toute la largeur de celle-ci de telle sorte qu’il n’existe au sein du transistor bipolaire aucune région de base neutre. Cependant, l’épaisseur de la base ne peut être diminuée considérablement car on peut se heurter à des phénomènes tel que l’effet tunnel et le perçage de celle-ci. Dans ce cas, l’effet transistor est supprimé et le courant collecteur est fortement réduit. Par contre dans les HBTs, cet effet est minimisé à cause du fort dopage de base. Cependant, pour les applications forte puissance nécessitant un fonctionnement du HBT avec de fortes valeurs de tension collecteur-base, cet effet de modulation de la largeur de base doit être tout de même pris en compte, surtout dans le cas de structures à faible épaisseur de base.

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La figure (4.23) présente la variation du gain en courant pour différentes épaisseurs de base, avec un dopage de base fixé à 4.5.10¹⁹ cm^-3. Dans ce travail trois épaisseurs de la couche de base sont considérées 40, 60 et 90nm. On constate, que le transistor ayant la base la plus fine présente le gain le plus important, donc le gain présente une variation inversement proportionnel à l'épaisseur de la base. Lorsque l’épaisseur de la base varie, le gradient d’électrons dans la base neutre varie. En effet plus la base est fine, plus la densité de trous diminue, ce qui engendre une augmentions des électrons collectés, d’où une augmentation du courant de collecteur, et un gain en courant plus important. Ceci est dû au phénomène de recombinaison dans la zone de base. En effet, plus cette dernière est épaisse, plus les porteurs minoritaires qui transitent de la jonction émetteur-base vers la jonction base-collecteur, subissent des recombinaisons avec les porteurs majoritaires de la base, ce qui bien sûr augmente le courant de recombinaison dans cette zone, et par suite, réduit le gain en courant.

Figure 4.23 : Variation du gain en courant en fonction de l’épaisseur de la base

 Performances fréquentielles

Les performances fréquentielles du composant sont également largement liées aux dimensions de la base du composant; celle-ci détermine en grande partie le temps de transit dans le composant par la relation suivante :

𝜏_𝐵 = ^𝑊𝐵²

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En effet, plus la base est mince, plus le temps que mettent les porteurs minoritaires pour la traverser est réduit car le trajet suivi est plus court. L’amélioration des performances fréquentielles est donc envisageable par la réduction de 𝜏_𝐵, grâce à une minimisation de l’épaisseur de la base. Toutefois la réduction de celle-ci va de pair avec une augmentation des résistances et capacités parasites du transistor (𝑅_𝐵, 𝐶_𝐵𝐶) susceptibles de limiter les performances dynamiques.

La fréquence de coupure 𝑓_𝑇 de transistors bipolaires est extraite par l’extrapolation du gain à partir de la pente théorique à -20dB/décade. Le résultat est présenté par la figure (4.24) pour des épaisseurs de la base de 90 nm, 60 nm et 40 nm. On constate que le transistor ayant la base la plus fine présente la fréquence de transition la plus importante, grâce à un temps de transit de base réduit. En effet, La base d’épaisseur 40 nm présente une amélioration de 50% de 𝑓_𝑇 par rapport à la base de 90 nm d’épaisseur.

Figure 4.24 : Réponse fréquentielle de la structure simulée présentant la courbe de gain en

courant sur court-circuit pour différentes épaisseurs de la base.

Le tableau (4.4) présente les valeurs de la fréquence maximale d’oscillation 𝑓_𝑚𝑎𝑥 pour les épaisseurs de base 40 nm, 60 nm et 90 nm. On constate une augmentation de 𝑓_𝑚𝑎𝑥 avec la diminution de la largeur de la base. La fréquence 𝑓_𝑚𝑎𝑥 atteint une valeur maximale de 175 GHz pour une largeur de base réduite 40 nm. L’épaisseur de la base détermine la résistance de cette couche, l’utilisation d’une base fine induit une résistance de base 𝑅_𝐵 élevée, ce qui

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limite la valeur de 𝑓_𝑚𝑎𝑥 via le produit 𝑅_𝐵. 𝐶_𝐵𝐶. Toutefois 𝑓_𝑚𝑎𝑥 est augmentée par une réduction de l’épaisseur de la base puisque la diminution du temps de transit de la base 𝜏_𝐵 compense l’augmentation du produit 𝑅_𝐵. 𝐶_𝐵𝐶.

Tableau 4.4 : Evolution de 𝑓_𝑚𝑎𝑥 pour des épaisseurs de base variables

Epaisseur de la base (nm) 40 60 90 𝒇_𝒎𝒂𝒙 𝑮𝑯𝒛 175 168 160

5.1.2. Influence du dopage de base à épaisseur de base constante