Sans-fil Haut-Débit. Partie I : Le monde de l intégré Partie II : La propagation hertzienne Partie III : Les enjeux de la montée en fréquence

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1 ans-fil Haut-ébit Partie I : Le mone e l intégré Partie II : La propagation hertzienne Partie III : Les enjeux e la montée en fréquence 1 Chaîne e transmission Il existe beaucoup e moyens e transmission e l information Ils varient suivant - le type e canal e transmission : - guié électrique - guié optique - espace libre - le type e moulation : - numérique, bane e base, sur porteuse - analogique - la fréquence (basse fréquence F, raio fréquence RF, hyper fréquence HF, millimétrique mm) 2

2 Chaîne e transmission : Liaison M full uplex Cas un TP en 1 ère année e Phelma 1 ou N moules RX L P 1 ou N moules RX 1 ou N moules TX P L 1 ou N moules TX TX : filtres + amplis sur le même moule, liaison montante RX : filtres + amplis sur le même moule, liaison escenante L : ioe laser P : photoioe fibres optiques antennes M commerciales 3 Chaîne e transmission : Canal hertzien ynthèse e fréquence onnées num. Coage binaire Coage canal Moula tion CNA Filtre Ampli ynthèse e fréquence Ampli Filtre CAN émo ulation éco canal éco binaire onnées num. 4

3 Chaîne e transmission : Canal hertzien Ex. amplificateur en PC Régulateur Filtre Amplificateur IN : Port 1 OUT : Port 2 5 Chaîne e transmission : Canal hertzien ynthèse e fréquence onnées num. Coage binaire Coage canal Moula tion CNA Filtre Ampli Electronique numérique Portes NAN, inverseuse Electronique analogique F, RF, HF, mm Amplificateurs simples, iff, AOP ascules, etc Fonctions anal. Processeurs, etc Architecture système 6

4 Partie I : Le mone e l intégré ommaire 1. es transistors aux passifs 1.1 Le transistor MO : NMO et PMO 1.2 Le transistor NPN 1.3 Les passifs 1.4 Ouverture sur les éveloppements et les métiers e la microélectronique 2. Les amplificateurs, élément e base e l analogique 2.1 L amplificateur simple étage 2.2 L amplificateur ifférentiel 3. Les portes, élément e base u numérique 3.1 Porte inverseuse 3.2 Porte NAN 4. Les enjeux économiques e l intégré 7 1. Les transistors les passifs 1.1 Le MO Le NMO : vue en coupe Connexion grille Connexion substrat Connexion source Connexion rain 8

5 Paramètres géométriques l = zone e recouvrement côté source l = zone e recouvrement côté rain (bulk) W = éveloppement e canal L = longueur e canal L = longueur e iffusion e source L = longueur e iffusion e rain 9 ymboles et polarisation I V ss + + V gs V s 10

6 Caractéristique électrique I(V) I Zone ohmique Zone active V gs -V tn =4V V gs -V tn =3V V gs -V tn =2V V gs -V tn =1V V A ~30V à 200V : tension e Early V gs -V tn <0V V s 11 Un peu e théorie sur le NMO On istingue eux régions : Région ohmique : pour Vs < Vgs Vtn I C Région active : pour Vs Vgs Vtn avec Vtn = Vtn0-0,2 Vsb n ox W L 1 2 V V V V gs tn. s s 2 2 k en V V. V ncox W I gs tn L 1 2 L s 12

7 es formules Transconuctance gm et gmb: Résistance ynamique e sortie rs : r g g s m mb I Vgs I V V I s sb 2K 0,2g k L. I en n W L m V gs V tn 2 V gs ou nulle si V I V sb tn 0 13 Et un synoptique I g m.v gs V gs r s +g mb.v sb V s V sb 14

8 Les capacités parasites C g C b N + N + W P L P l s l C gs C bs 15 Nouveau synoptique I C g g m.v gs V gs C gs +g mb.v sb r s V s C b C sb V sb 16

9 ~500 µm pour iamètre e 200 mm ~800 µm pour iamètre e 300 mm Le PMO Problème = on part un substrat P et on veut un canal P Wafer e silicium, naturellement opé bore, it opage e type P avec p~10 13 at/cm 3 17 Zone e opage spécifique Pour les figure suivantes : zoom sur cette zone ans laquelle on réalise le PMO 18

10 Vue en coupe Connexion grille Connexion substrat Connexion source Connexion rain 19 Paramètres géométriques l = zone e recouvrement côté source l = zone e recouvrement côté rain (bulk) W = éveloppement e canal L = longueur e canal L = longueur e iffusion e source L = longueur e iffusion e rain 20

11 ymboles et polarisation + V sg I V + V s 21 Un peu e théorie sur le PMO On istingue eux régions : Région ohmique : pour Vs < Vsg Vtp I C p Région active : pour Vs Vsg Vtp avec Vtp = Vtp0-0,2 Vsb ox W L 1 2 V V V V sg tp. s s 2 2 kep V V. V pcox W I sg tp 1 2 L L s 22

12 es formules Transconuctance gm et gmb: g Résistance ynamique e sortie rs : r m g s I 2K V g mb s I V V I s bs 0,2g k p L. I ep W L V m sg V tp 2 V sg ou nulle si V bs I V tp 0 23 Et le synoptique u PMO I C g V sg C gs g m.v gs r s +g mb.v sb V s C b C sb V bs 24

13 1.2 Le transistor bipolaire NPN Fabrication prise substrat P P+ 25 Fonctionnement u NPN Emetteur N+ ase P Collecteur N ane e conuction ane e valence ZCE ZCE 26

14 Un peu e physique 27 ymboles et polarisation C I C I Prise substrat E C I C C I I C I + + E V be E V ce 28

15 Caractéristique électrique I(V) I C Zone saturée Zone active V be -V be_on =4V V be -V be_on =3V V be -V be_on =2V V be -V be_on =1V V A ~25V : tension e Early V ce_sat V be -V be_on <0V V ce 29 Un peu e théorie sur le NPN La conition première est Vbe >Vbe_on 0,8 V On istingue eux régions : Région saturée : pour Vce <Vbe_sat 0,8 V Région active : pour Vce >Vbe_sat 0,8 V V be V IC I s exp. 1 VT V ce A Enfin 2 ème équation : I C = I 30

16 es formules Transconuctance gm : IC I s V be IC gm exp Vbe V T V T VT Résistance ynamique e sortie rce : r ce V I ce C I s VA V exp V be T V I Résistance ynamique entrée r : Vbe Vbe IC r. I I I g C 31 A C m Et un synoptique I I C C r V be g m.v be V ce r ce E P : Prise substrat 32

17 Les éléments parasites e E C P N+ P+ N+ P+ P N N+ P 33 Nouveau synoptique I R b C R c I C C bc V be g m.v be V ce C r r ce E C cp P 34

18 1.3 Les passifs La réalisation es transistors : Front En of Line La réalisation es passifs : ack En of Line 35 Résistance L 2 L 2 L 2 L 1 L 1 L 2 L 2 L 2 R R 3R R = L/ = L/l = / car L=l : résistance carrée 36

19 Inuctance 1 ère approximation : Enroulement en spirale => inuctance mutuelle C HF C ox3 L Rs C ox4 Passif = encombrant C ub1 R ub1 R ub2 C ub2 37 Capacité 1 ère approximation : Conensateur plan 38

20 1.4 Ouverture sur les éveloppements et les métiers e la microélectronique La présentation sur les transistors MO et bipolaire précéente resse un état es connaissances e base. Ces connaissances ne sont pas acquises. Elles sont aborées et le vocabulaire technique est juste explicité. Voici par la suite quelques exemples e éveloppements possibles et un peu e vocabulaire supplémentaire 39 Vue en coupe au ME u EOL 40

21 Moèle en pratique : beaucoup plus fin que celui présenté ans ce cours Exemple (NMO en IM3) aturation e la vitesse es porteurs Effet es canaux courts Régime e faible inversion Ionisation par impact et courant e substrat 41 Les métiers e la microélectronique éveloppement process (chimie, mécanique, matériau, physique es plasmas, ), Test process (électronique, hyperfréquences), éveloppement e nouvelles topologies e transistors (Ret post CMO, beyon CMO more Moore, compétences physique es C), éveloppement e nouvelles topologies passif (Ret en intégration es passifs, compétences HF), esigner numérique et analogique (layouts circuits actifs et circuits numériques basiques, compromis numérique/analogique vs fréquence), Conception fonctions avancées / systèmes (oc et ip, composants programmables), Programmation, coage, étues systèmes 42

22 Layouts optimisés : Etage cascoe N 2 V P N 2 A V P E A E N 1 N 1 43 AOP CMO à eux étages Va lim Valim P3 Pol P4 P5 P3 P4 P5 EN P1 A 2 I1 P2 EP I2 Rpol P1 P2 R C C C Rpol I1 I1 C C Ipol C R C N1 N2 N3 EN EP N3 masse N1 N2 44

23 Filtre mc (techno AM 0,8 µm) 45