Le transistor bipolaire à hétérojonction en matériaux III-V

Résumé du document

L'invention des transistors bipolaire remonte à 1947. J. Bardeen et W. H. Brattain mettent en évidence l'effet d'amplification à l'aide d'un petit dispositif composé de germanium et de deux contacts en or : le « transistor à pointes ». L'année suivante, les travaux de W. Shockley ouvrent la voie pour la réalisation d'un nouveau concept de transistor basé sur la jonction p-n et mènent au dépôt en 1951 du brevet fondateur du principe de l'hétérojonction. En 1957, H. Kroemer pose les bases théoriques du fonctionnement du transistor bipolaire et démontre l'intérêt d'utiliser un matériau ayant une plus large bande interdite pour émetteur.

Extraits

[...] Le transistor bipolaire à hétérojonction en matériaux III-V 1. Evolution historique Silicium versus III-V Principe de fonctionnement du transistor bipolaire Limitation du transistor bipolaire à homojonction Hétérojonction émetteur-base Apport de l'hétérojonction Hétérojonction de type I abrupte Transport électronique dans le cas de l'hétérojonction abrupte Hétérojonction graduelle Transistor bipolaire à double hétérojonction Limitation du transistor à simple hétérojonction Optimisation de l'hétérojonction base-collecteur de type I Evolution historique L'invention des transistors bipolaire remonte à 1947. J. Bardeen et W. H. Brattain mettent en évidence l'effet d'amplification à l'aide d'un petit dispositif composé de germanium et de deux contacts en or : le transistor à pointes L'année suivante, les travaux de W. [...]

[...] Ainsi, le MOSFET (architecture CMOS) est le composant de choix pour les applications logiques et circuits à forte densité d'intégration où une faible consommation est requise (ex : microprocesseur). Devant la concurrence de ces structures MOS, la fin du transistor bipolaire silicium était annoncée. Cependant la technologie des transistors bipolaires a bénéficié des mêmes avancées techniques, lui permettant de se maintenir dans les applications analogiques rapides et faible bruit et dans les applications mixtes logique-analogique en association avec des transistors CMOS dans les circuits BiCMOS. [...]

[...] Réalisés sur substrat d'arséniure de gallium, ces premiers transistors bipolaires à hétérojonction utilisent une hétérostructure AlGaAs/GaAs fabriquée par épitaxie en phase liquide. Dans les années 80, le développement de l'épitaxie par jets moléculaires en phase gazeuse (GS-MBE pour Gas Source Molecular Beam Epitaxy) rend possible la fabrication de transistors bipolaires à hétérojonction InP avec une base Ga0,47In0,53As. En raison de sa possible intégration avec des composants optoélectroniques et de propriétés de transport électronique supérieures, ce système montre rapidement sa supériorité face à la filière AlGaAs/GaAs. [...]

[...] Le Tableau 3 résume les différents modes de fonctionnement d'un transistor bipolaire et les conditions de polarisation des jonctions qui leurs sont associées. Pour les applications logiques, on exploite la commutation du transistor avec un passage du mode bloqué (état logique au mode saturé (état logique 1). Dans le cas des applications analogiques et radio-fréquences, le mode de fonctionnement le plus utilisé est le mode direct dans lequel la jonction émetteur-base est polarisée en direct et la jonction basecollecteur est polarisée en inverse, comme illustré sur la Figure 3 Tableau 3 : Modes de fonctionnement d'un transistor bipolaire Mode de fonctionnement Direct (ou normal) Bloqué Saturé Inverse Polarisation de la jonction émetteur-base Direct Inverse Direct Inverse Polarisation de la jonction base-collecteur Inverse Inverse Direct Direct 4 Emetteur Base Collecteur P N IE VB E > 0 IB VB C [...]

[...] Les performances des transistors bipolaires silicium ont été grandement améliorées grâce à l'utilisation d'une base en SiGe. Plus récemment, l'introduction de carbone dans la base des TBH SiGe a permis d'affiner l'épaisseur de la base SiGe:C et par conséquent une nouvelle montée en fréquence et en rapidité des TBH Si/SiGe:C. Leurs performances surpassent à l'heure actuelle celles des TBH GaAs qui restent toutefois largement utilisés dans les amplificateurs de puissance à des fréquences de quelques gigahertz. Néanmoins, les transistors à base de silicium souffrent d'une faible tenue en tension. [...]