Brevet FR2473791A1 — publié le 19810717

La présente invention se rapporte aux amnplifica- teurs différentiels, et concerne plus particulièrement un amplificateur différentiel NMOS (métal-oxyde-semi-conduc- teur à canal N) possédant des caractéristiques améliorées de fonctionnement, en ce qui concerne le bruit. Des amplificateurs différentiels sont utilisés dans de nombreuses applications. Ils sont utilisés en par- ticulier dans des systèmes de télécommunications pour l'am- plification des signaux. Un point particulièrement impor- tant dans ces systèmes de télécommunications est la réduc- tion au minimum du bruit introduit dans le signal trai- té et amplifié. Depuis l'introduction de la technologie métal-oxyde-semi-conducteur (Mos), il s'est avéré avanta- geux de fabriquer de nombreux éléments de circuit sur un seul substrat semi-conducteur, par exemple des réseaux de filtres, dans lesquels le!s amplificateurs différentiels sont également fabriqués sur le même substrat. Mais il est apparu que le bruit produit par les amplificateurs dif- férentiels dans ces circuits sont extrêmement gênants pour le fonctionnement de ces systèmes de télécommunications. La source principale du bruit dans un amplifica- teur différentiel MOS se trouve dans le bruit produit par les composants à transductance d'entrée différentielle. Une pratique déjà développée et généralement acceptée pour la conception des amplificateurs différentiels consistait à fabriquer les composants à transductance de ces amplifi- cateurs selon une technique de fabrication par enrichisse- ment selon laquelle un canal est implanté à la surface du substrat semi-conducteur. Dans un transistor enrichi fabri- qué selon la technologie courante à grille de silicium et canal N, un courant circule dans la région de canal près de la surface du substrat quand le composant est débloqué. Il s'est avéré récemment que des composants à canal encas- tré produisent moins de bruit que les composants du type à canal superficiel. Dans un composant à canal encastré, le courant circule au-dessous de la surface du substrat semi- conducteur. En général, un transistor en mode appauvri est un composant à canal légèrement encastré lorsqu'il est fa- briqué selon la technologie courante à canal N, grille de silicium et charge appauvrie. Mais, pour un fonctionnement à faible bruit, le transistor appauvri à canal N impose une forte tension seuil négative ce dont il résulte un ca- nal très au-dessous de la surface du substrat semi-conduc- teur. Un transistor appauvri avec une forte tension seuil négative est inacceptable comme composant à transconduc- tance dans un amplificateur différentiel en raison des con- sidérations de polarisation continue du circuit d'amplifi- cateur. Le besoin existe donc d'un amplificateur différen- tiel NMOS possédant des caractéristiques de fonctionnement à faible bruit permettant d'obtenir de meilleurs résultats. Le besoin existe également d'un amplificateur différentiel NMOS comportant des composants à transconductance fonction- nant avec une faible tension seuil. Un objet de l'invention est donc de proposer un - amplificateur différentiel qui élimine pratiquement les problèmes associés jusqu'à présent avec les amplificateurs différentiels, y compris la réduction au minimum de l'in- troduction des bruits dans un signal traité, par exemple un signal de fréquence vocale. Un amplificateur selon l'invention, fabriqué selon la technologie NMOS, comporte un transistor à transconduc- tance. Ce transistor comporte un semi-conducteur dans le- quel les états superficiels résultant de la fabrication du semiconducteur sont réduits par la réduction au minimum des dommages apportés au cristal à la surface et au-dessous de la surface des semi-conducteurs, ce qui réduit au mini- mum la source de bruit dans le fonctionnement de l'amplifi- cateur. Un amplificateur à faible bruit selon l'invention est fabriqué selon la technologie NMOS, et comprend des transistors à transconductance. Ces transistors à transcon- ductance consistent en des transistors semi-conducteurs non implantés avec une faible concentration des défauts de sur- face, ce qui réduit au minimum lasource de bruit dans le fonctionnement de l'amplificateur. Selon un autre aspect, l'invention concerne un am- plificateur fabriqué selon la technologie NMOS et possé- dant des caractéristiques de fonctionnement à faible bruit. L'amplificateur ecnporte des transistors à transconduc- tance qui reçoivent un signal d'entrée différentiel. Une source de courant est prévue pour polariser l'amplifica- teur. Une charge est interconnecté aux transistors à transconductance pour produire un signal de sortie ampli- fié. Les transistors à transconductance sont des compo- sants semi-conducteurs non implantés éliminant pratique- ment la production de bruit à basse fréquence dans le fonctionnement de l'amplificateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va sui- vre. Au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple nullement limitatif: La Figure 1 représente schématiquement un transis- tor enrichi et un transistor naturel non implanté, la Figure 2 est un schéma d'un amplificateur diffé- rentiel selon l'invention, et la Figure 3 montre graphiquement des résultats obte- nus selon l'invention par rapport à ceux des amplificateurs différentiels antérieurs. L'invention repose sur le fait que la source prin- cipal de bruit dans les amplificateurs différentiels se trouve dans les composants à transconductance à l'intérieur de ces amplificateurs. L'invention rejette la supposition acceptée jusqu'à présent que la réduction au minimum de la production du bruit dans des composants MOS enrichis pour- rait être assurée en utilisant des composants MOS appau- vris pour réduire au minimum le bruit des transistors. Il a été déterminé que la source principale de bruit dans les transistors résulte des défauts de surface. Ces défauts sont dus à des discontinuités et à des contaminants à la surface d'un composant semi-conducteur, résultant de dommages et d'impuretés, de dommages au silicium d'un sub- strat semi-conducteur, de dépôts à la surface de contact avec l'oxyde de silicium et d'impuretés dans l'oxyde et le silicium eux-mêmes. Les défauts de surface et les bruits dans les transistors MOS sont décrits dans un article de M.B. Das intitulé "Measurements and Intgrpretation of Low- Frequency Noise In FET's", IEEE Transactions on Electron Devices, Volume Edition-21, N0 4, Avril 1974, pages 247 - 257. Etant donné que dans un composant MOS, les dommages principaux se trou-vent à la surface, les défauts de sur- face sont très responsables de la production de forts bruits quand le courant circule dans cette région. Dans un transistor enrichi, fabriqué selon la technologie cou- rante à canal N, grille de silicium, et débloqué, un cou- rant circule de la source vers le drain, à la surface, et une forte concentration de défauts de surface contribue à une production importante de bruit. Dans les transistors antérieurs, la production de bruit a été réduite au minimum en encastrant le ca- nal d'un composant MOS au-dessous de la surface du sub- strat semi-conducteur, ce dont il résultait un composant MOS appauvri. Le concept d'un composant appauvri à canal encastré réduisant au minimum les sources de bruit a été. largement répandu, car ce type de composants ne réduit pas les bruits au minimum, dans une certaine mesure, par rapport à un composant du type enrichi. Mais ces compo- sants appauvris ont de fortes tensions de seuil négatives qui les rendent incompatibles avec les contraintes des amplificateurs. L'expérience a montré que les opérations de fa- brication des composants MOS à canaux encastrés avec une tension seuil négative plus acceptable introduisent davan- tage de sources de bruit qu'il n'en a été éliminées par l'utilisation de composants à canal encastré. Les domma- ges introduits par l'implantation du canal encastré in- troduisent des sources substantielles de bruit profondé- ment dans le substrat de silicium de sorte que la région dans laquelle les charges circulent est très en- dommagée. Les composants à canal encastré ont une forte - tension seuil négative dans la technologie à canal N, qui n'est pas compatible avec d'autres contraintes des circuits dans la réalisation des amplificateurs différen- tiels. L'invention utilise donc des transistors naturels dans lesquels aucune implantation n'est utilisée, ce qui réduit au minimum les dommages portés au substrat semi- conducteur ce qui, à son tour réduit au minimum le nombre desdéfautsde surface formés. Par l'élimination des im- plantations, la concentration des défauts de surface dans le composant est nettement réduite. Grâce à la réduction au minimum de la concentration des défauts de surface, la production de bruit par les transistors d'un amplificateur opérationnel est considérablement réduite. Par ailleurs, la tension seuil résultante est à peu près nulle, ce qui est hautement souhaitable pour le fonctionnement d'un am- plificateur différentiel. La Figure 1 montre sous une forme simplifiée la différence entre un transistor implanté et un transis- tor naturel. Un substrat semi-conducteur 10 comporte des positions 12 et 14 pour des éléments. Dans la position 12, un composant enrichi est fabriqué en utilisant une implan- tation ionique identifiée par 16. Par contre, dans la position 14, un transistor naturel est fabriqué de sorte qu'aucune implantation ionique n'est faite au-dessous de la surface du substrat 10. C'est ce transistor du type non implanté de la position 14 qui est utilisé dans le présent amplificateur différentiel pour réduire au minimum les sources de bruit dans les transistors, améliorant ain- si les caractéristiques de fonctionnement concernant le bruit dans le présentamplificateur. La Figure 2 est un schéma simplifié d'un ampli- ficateur différentiel, désigné globalement par 20. Cet am- plificateur 20 fonctionne d'une manière bien connue. En ré- sumé, il comporte une entrée inverseuse 1 et une entrée non inverseuse 2 connectées à des transistors à transcon- ductance 22 et 24. Les transistors 22 et 24 sont intercon- nectés à des composants 26 et 28 de charge résistive pro- duisant la tension amplifiée à la sortie S de l'amplifica- teur 20. Une source de courant 30 fournit l'alimentation 247379'1 continue de l'amplij'icateur différentiel 20. Les transis- tors à transconductance 22 et 24 sont des transistors non implantés selon l'invention, ce qui réduit la production des bruits dans l'amplificateur 20. La Figure 3 illustre des résultats expérimentaux sur des composants à transconductance, des composants na- turels produits selon une technologie normale à canal N, grille de silicium, charge appauvrie de l'amplificateur selon l'invention, comparativement avec des transistors enrichis à canal N, produits selon une technologie normale à canal N, grille de silicium, charge appauvrie, d'amplifi- cateurs antérieurs. Le composant naturel et le composant enrichi uti- lisés dans les expériences pour obtenir ce résultat avait les mêmes géométries, à savoir la même largeur et la même longueur ainsi que la même épaisseur d'oxyde. La courbe de bruit produit à des fréquences de 250 Hz et 1000 Hz montre clairement la réduction de production de bruit dans le présent amplificateur. Sur la Figure 3, l'axe ver- tical représente la tension efficace de bruit présente a une fréquence donnée à l'entrée du transistor (nV/ FHz). L'axe horizontal représente le courant de drain dans le composant à transconductance contrôlé (ID) égal au courant de source 30 de la Figure 2 divisé par deux. La plage de courant de drain représentée estla-plage courante des cou- rants utilisés dans les amplificateurs différentiels MOS. La courbe A représente le bruit d'entrée à 250 Hz pour un transistor enrichi (implanté). Les points de données sur la courbe A sont représentés par un point dans un carré. La courbe B représente le bruit d'entrée à 250 Hz pour un transistor naturel (non implanté). Des points de données de la courbe B sont représentés par un point dans un cer- cle. La courbe C représente les bruits d'entrée à 1000 Hz pour un transistor enrichi (implanté). Les points de don- nées de la courbe C sont représentés par des croix dans un carré. La courbe D représente le bruit d'entrée à 1000 Hz pour un transistor naturel (non implanté). Les points de données de la courbe D sont représentés par une croix dans. 247379 i un cercle. Il apparait ainsi que le présent amplificateur dif- férentiel fabriqué selon la technologie MOS utilise des tran- sistors dans lesquels les défauts de surface sont réduits au minimum, ce qui réduit les sources de bruit associées en éli- minant l'implantation dans le substrat semi-conducteur du composant MOS utilisé dans l'amplificateur. Comparativement aux composants du type appauvri à canal encastré, qui peuvent être acceptablesavec les contraintes imposées aux amplifica- teurs, l'amplificateur selon l'invention présente de meil- leures caractéristiques de fonctionnement en ce qui concerne les bruits. Il est bien entendu que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et il- lustré sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Transistor à transconductance destiné à un amplifi- cateur fabriqué selon la technologie à métal-oxyde-semi- conducteur à canal N, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat semiconducteur (10) dans lequel des défauts de surface résultant de la fabrication dudit semi-conducteur sont réduits par la réduction au minimum des dommages appor- tés au cristal à la surface et au-dessous de la surface du- dit semi-conducteur, en réduisant ainsi la source de bruit dans le fonctionnement de l'amplificateur. 2 - Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en un transistor semi-conducteur (14) non implanté. 3 - Amplificateur à faible bruit fabriqué selon la technologie à métal-oxyde-semi-conducteur à canal N, compor-- tant des transistors à transconductance (22, 24) qui consis- tent en des transistors semi-conducteurs non implantés avec une faible concentration de défauts de surface, réduisant ainsi au minimum la source de bruits dans le fonctionnement de l'amplificateur. 4 - Transistor à transconductance destiné à un amplifi- cateur différentiel fabriqué selon la technologie à-métal- oxyde-semi-conducteur à canal N, caractérisé en ce qu'il con-. siste en un transistor semi-conducteur (22, 24) non implanté afin d'éliminer la production de bruits à basse fréquence dans le fonctionnement de l'amplificateur. - Amplificateur fabriqué selon la technologie à métal- oxyde-semi-conducteur à canal N, possédant des caractéristi- ques de fonctionnement à faible bruit, caractérisé en ce qu' il comporte un dispositif destiné à recevoir un signal dif- férentiel d'entrée comprenant des transistors à transconduc- tance (22, 24), une source de courant pour alimenter l'am- plificateur, un circuit de charge (26, 28) interconnmlecté aux- dits transistors à transconductance et destiné à produire Uln signal de sortie amplifié, lesdits transistors à transconduc- tance (22, 24) consistant en des transistors semi-conducteurs non implantés afin d'éliminer pratiquement la productionde bruit à basse fréquence pendant le fonctionnement de l'amplificateur.