Brevet FR2509092A1 — publié le 19830107

RESISTANCE INTEGREE EN TECHNOLOGIE BIPOLAIRE, DE VALEUR COMMANDABLE PAR UN COURANT. La présente invention concerne les structures de circuits intégrés réalisés en technologie bipolaire. Dans les circuits analogiques intégrés,- on cherche à faire non seulement des résistances de valeur connue, mais, dans certaines applications, des résistances variables. I1 est souhaitable de pouvoir disposer de résistances dont la valeur est commandée par un paramètre électrique. Une application particulière est par exemple la commande du gain d'un amplificateur qu'il serait très avantageux de pouvoir faire varier au moyen d'un courant qui modulerait la valeur d'une résistance. Peu de dispositifs ont été proposés, le plus simple étant encore un transistor qui a une caractéristique tension-courant, entre le collecteur et ltémetteur, présentant une zone de saturation dont une partie est linéaire et a une pente fonction du courant de base du transistor. On peut donc utiliser le transistor comme résistance commandée par un courant mais avec deux inconvénients : d'une part, il est difficile de prévoir exactement la pente de la partie linéaire, donc la résistance, pour une valeur de courant de base donnée (elle dépend du gain en courant en inverse du transistor) ; d'autre part, on est obligé de prévoir une tension et un courant de polarisation continue pour se placer au centre de la partie linéaire de la caractéristique et bénéficier ainsi d'une excursion possible pour la tension appliquée entre émetteur et collecteur. Cette excursion est d'ailleurs limitée car la partie linéaire de la caractéristique s'entend sur un faible intervalle de tensions. On peut aussi utiliser le transistor sans polarisation continue, avec un signal variable autour de l'origine de la caractéristique tension-courant. En effet, la pente de la caractéristique à l'origine varie en fonction du courant base. Mais, outre que la pente est, ici encore, mal connue en fonction du courant de base, on a surtout l'inconvénient que la caractéris tique est très disymétrique autour de l'origine et le transistor ne peut être utilisé en résistance sans distorsion grave que pour des signaux extrêmement faibles. La présente invention a pour but de proposer une structure intégrée, réalisée en technologie bipolaire, qui présente une caractéristique de résistance dont la valeur est commandable par un courant, avec une excursion de tension possible assez importante sans perte de linéarité aussi bien en tension négative qu'en tension positive, et qui peut donc se dispenser d'une polarisation continue. Selon un premier aspect, l'invention consiste å utiliser en tant que résistance deux transistors de même type (NPN ou PNP), le premier ayant un émetteur relié à un collecteur du deuxième pour constituer une première borne de signal pour la résistance, le deuxième ayant un émetteur relie à un collecteur du premier pour constituer une deuxième borne de signal, et les deux transistors ayant leurs bases réunies pour constituer une borne de commande de -la valeur de la résistance, borne destinée à recevoir un courant de commande. En d'autres mots, la résistance selon l'invention comprend deux transistors bipolaires de même type montés en parallèle tête-bêche, ayant leurs bases réunies pour recevoir un courant de commande global. Selon un autre aspect de l'invention, chaque transistor comporte en fait deux émetteurs dont le premier est réuni au collecteur de l'autre transistor et le second est relie aux bases. On expliquera comment cette disposition élimine dans une mesure notable l'incertitude qui pèse sur la dépendance entre la valeur de la résistance et la valeur du courant de commande. Etant donné que le courant de commande n'est pas négligeable devant le courant parcourant la structure à caractéristique résistive, et que ce courant se retrouve dans l'une ou l'autre borne de signal de cette structure selon la polarité de la tension appliquée à la structure, risquant de rendre disymétrique la caractéristique courant-tension de cette dernière, on symétrise la caractéristique en donnant aux deux transistors des surfaces actives différentes. Plus précisément, dans le cas de transistors à deux émetteurs, on prévoit entre les premiers émetteurs des transistors un rapport différent de 1. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente la caractéristique couranttension d'un transistor, - les figures 2a et 2b montrent le schéma de base de la structure à caracteristique résistive de l'invention, - la figure 3 représente la caractéristique tensioncourant de la structure selon l'invention pour deux courants de commande différents, - la figure 4 représente un schéma amélioré de la structure selon l'invention. La caractéristique du courant de collecteur Ic en fonction de la tension émetteur-collecteur Vce d'un transistor pour un courant de base donné Ib est montrée à la figure 1 en trait plein. Une caractéristique pour un autre courant I'b plus grand que Ib est montrée en pointillés. On voit que pour chaque valeur du courant base il existe une zone dite zone de saturation ou on a sensiblement une croissance linéaire du courant avec la tension. Cette zone s'étend surtout du côté des tensions Vce positives. Sa pente varie avec la valeur du courant de base Ib. On pourrait imaginer d'additionner simplement dans le premier quadrant positif (Vce et Ic positifs) une caractéristique directe et une caractéristique inverse de transistor avec un même courant de base, et de faire la même chose dans le troisième quadrant (Vce et Ic négatifs). Ceci reviendrait à monter deux transistors identiques en parallèle tête-bêche et à leur appliquer le même courant de base. On aurait ainsi une portion de caractéristique linéaire s'étendant symétriquement du côté positif et du côté négatif, mais elle ne serait pas linéaire car elle présenterait un coude proche de l'origine, de chaque côté de celle-ci. La présente invention s'est cependant inspiré de cette idée, en s'écartant du préjugé selon lequel il fallait imposer le même courant de base dans les transistors, et en faisant au contraire l'observation a priori surprenante que si deux transistors identiques sont montés tête-bêche, et ont leurs bases réunies et portées à un potentiel positif par rapport à l'émetteur de l'un des transistors, les courants de base seront très différents dans les deux transistors mais seront tels qu'il circule des courants égaux dans les deux transistors lorsqu'une tension entre collecteur et émetteur est appliquée. Cette première observation peut surprendre car on s'attendrait à ce que le transistor qui, par la force des choses, est polarisé en inverse, conduise un courant beaucoup plus faible que celui qui est normalement polarisé en direct. Les figures 2a et 2b, en montrant le schéma de principe de la structure selon l'invention (deux transistors T1 et T2 têtebêche ayant leurs bases réunies), montrent la polarisation inverse de l'un des transistors et la division égale du courant dans les deux branches en parallèle. Le collecteur du transistor Tl et l'émetteur du transistor T2 sont reliés à une borne A de la structure ; le collecteur du transistor T2 et l'emetteur du transistor T1 sont reliés à une borne B. Les bases sont reliées à une borne de commande C. On a appelé Vr là tension entre les bornes A et B de la structure, Ir le courant global qui la traverse vu de la borne A, et i le courant de commande injecté à partir dlune borne de commande C portée à un potentiel positif par rapport à l'une des bornes (B par exemple). On conçoit que si Vr est positif, le transistor T1, supposé de type NPN, est polarisé en direct tandis que T2 est polarisé en inverse (figure 2a). te courant se répartit également dans l'émetteur du transistor Tl et dans le collecteur du transistor T2. Mais, réciproquement, tout en continuant à fournir le même courant de commande global i, on peut inverser le sens de la tension Vr aux bornes de la structure. Alors, les rôles des tran sistors s'inversent, T2 devient polarisé normalement en direct tandis que T1 est polarisé en inverse, mais on constate encore que le courant global Ir se subdivise par moitié entre l'émetteur du transistor T2 et le collecteur du transistor T1 (figure 2b). C'est à partir de cette observation que l'on peut déduire par la théorie et montrer par I'expérience que la structure recevant un courant de commande i présente une caractéristique tension-courant (Vr, Ir) qui est sensiblement symétrique par rapport à l'origine et qui présente autour de l'origine une portion linéaire dont la pente est fonction du courant i. En gros, cette caractéristique présente dans le premier quadrant une forme qui serait celle de la caractéristique tensioncourant d'un mauvais transistor (faible gain en courant direct), et elle présente dans le troisième quadrant une forme essentiellement symétrique de celle du premier quadrant. Cette caractéristique est représentée à la figure 3 en traits pleins pour un premier courant de commande i et en traits pointillés pour un autre courant i'. La partie linéaire de la caractéristique a une pente qui varie en fonction du courant de commande i. On voit donc que l'on dispose d'une caractéristique de résistance commandée par un courant tant qu'on reste dans la partie linéaire autour de zéro. Un signal alternatif sans polarisation continue peut donc être appliqué entre les bornes de signal A et B. Sans entrer dans des calculs complexes, on peut expliquer ce phénomène de la manière suivante : un transistor peut très bien être polarisé en inverse, c' est-a-dire que son collecteur peut servir d'émetteur qui injecte du courant dans la base lorsque la jonction collecteur-base est polarisée en direct. De plus, dans ce cas, si le collecteur est suffisamment dopé par rapport à la base, le courant injecté dépend essentiellement du dopage de la base. Autrement dit, le courant injecté est essentiellement le même pour une même tension de polarisation directe de jonction, que cette tension soit appliquée à la jonction émetteur-base, ou qu'elle soit appliquée à la jonction collecteur-base. Mais le courant de base ne sera pas du tout le même car le gain en courant (courant collecteur/courant base) d'un transistor polarisé en inverse est beaucoup plus faible que celui d'un transistor polarisé en direct. Avec deux transistors identiques, montés.tête-bêche avec leurs bases réunies, le courant de commande commun i se répartira dans les deux bases de maniere à respecter légalité des courants d'injection dans les deux transistors (injection par l'émetteur pour le transistor polarisé en direct, injection par le collecteur pour l'autre). Cette répartition du courant de commande se fait en fonction des gains différents des transistors, c'est-à-dire que le transistor polarisé normalement et ayant donc. un gain en courant direct assez important absorbera un petit courant de base, tandis que l'autre absorbera la majeure partie du courant de commande du fait qu'il a un gain en courant faible. De cette autorépartition des courants dans les deux bases résulte la forme particulière symétrique de la structure selon l'invention, la pente de la partie linéaire étant fonction du courant de commande donc de la somme des courants appliqués aux bases des deux transistors. Les transistors jouent alternativement le rgle de transistor polarisé en direct et celui de transistor polarisé en inverse selon le signe de la tension collecteurémetteur. I1 faut ici mentionner que la symétrie de la caractéristique n'est pas parfaite à cause du fait que le courant de base, c'est-à-dire le courant de commande, n'est pas négligeable devant le courant principal. Or, pour un sens de la tension Vr, le courant de commande i se retrouve essentiellement dans la borne B par suite de l'injection due au collecteur du transistor T2, tandis que pour l'autre sens de la tension Vr, le courant de commande se retrouve essentiellement dans la borne A par suite de l'injection qui est faite par le collecteur du transistor T1. Comme la plupart du temps l'une des bornes de la structure sera privilégiée comme borne de signal tandis que l'autre sera une borne de masse par où on peut sans inconvénient écouler un courant qui est gênant, on va s'arranger pour faire en sorte qu'au niveau de la borne de signal la caractéristique couranttension soit symétrique, c'est-à-dire que pour une tension Vr de valeur absolue quelconque entre les bornes A et B, le courant dans la structure vue de la borne de signal (par exemple A) soit le même en valeur absolue que la tension Vr soit positive ou négative. On y parvient en donnant aux transistors T1 et T2 des surfaces actives différentes. En effet, l'égalité des courants d'injection dont on a parlé ci-dessus est vérifiée si les transistors ont même surface active, mais, pour des transistors de surfaces actives différentes, le courant injecté par l'applictaion d'une tension de polarisation directe donnée aux bornes de la jonction collecteur-base ou émetteur-base est proportionnel à la surface active (c'est-à-dire en général la surface d'émetteur en regard de la partie la moins épaisse de la base). Un calcul relativement simple, mais qu'on ne reprendra pas ici, montre que l'on a avantage à choisir le rapport des surfaces S1 et S2 des transistors T1 et T2 en fonction du gain en courant inverse g des transistors, de telle manière que le transistor dont le collecteur est à la borne de masse ait une surface plus petite que l'autre, d'autant plus que le gain en courant inverse est plus faible, et ceci dans un rapport qui est sensiblement où g est le gain en courant inverse des transistors. Ce rapport peut s'écrire approximativement S2/S1 = 1 - 1/2g. Par exemple, si ce gain est de 3 ou 4, la surface du transistor T2 doit être de 12 à 15 pour cent plus petite que celle du transistor T1. Dans la structure qui vient d'être décrite, la pente de la partie linéaire de la caractéristique, donc la résistance de la structure, varie essentiellement proportionnellemlent à l'inverse du courant de commande i, mais sa valeur exacte est mal connue car elle dépend fortement du gain en courant inverse du transistor elle est à peu près proportionnelle à 1/(1 + g) (on peut le montrer en calculant la résistance de chaque transistor au voisinage de l'origine de la caractéristique tension-courant d'après le modèle d'Ebers et Moll, en négligeant l'inverse du gain en courant direct devant l'unité). On essaye, selon un perfectionnement de l'invention, de s'affranchir de cette dependance entre la résistance et le gain en courant inverse. Pour cela, on prévoit que chacun des transistors T1 et T2 est pourvu d'un émetteur supplémentaire et que cet émetteur supplémentaire est relie à sa base. La figure 4 montre le schéma qui en résulte pour la structure. Physiquement, les deux émetteurs sont constitués par deux régions distinctes fortement dopées ménagées-dans une région de base. Quand un transistor est polarisé en direct, le deuxième émetteur ne joue strictement aucun roule : il n'injecte pas de courant dans la base puisque son potentiel est le même que celui de la base. Quand le transistor est polarisé en inverse, le deuxième émetteur joue le rôle de deuxième collecteur (comme le premier émetteur jouait le rôle de collecteur dans le cas de la figure 2). Or, un transistor à deux collecteurs, dont l'un est relie à la base, fonctionne comme deux transistors montés en miroir de courants : il existe un rapport fixe (qui est le rapport des surfaces actives) entre les courants d'émetteurs des deux transistors. En appliquant ce principe au schéma de la figure 4, et en tenant compte de ce que pratiquement tout le courant de commande i, appliqué à la borne C reliée aux bases et aux seconds émetteurs, est absorbé par le transistor polarisé en inverse, on peut vérifier que le transistor polarisé en inverse verra dans son premier émetteur (servant de collecteur), un courant qui, au lieu d'être sensiblement le produit du courant de commande par le gain en courant inverse sera sensiblement le produit du courant de com- mande par le rapport entre la surface du premier émetteur et celle du second (ceci est d'ailleurs d'autant plus exact que ce rapport est plus petit). Quant au transistor polarisé en direct, il laisse toujours passer un courant égal à celui qui circule dans le collecteur de l'autre. Le calcul du courant global circulant entre les bornes A et B montre alors que la résistance équivalente de la structure devient sensiblement indépendante du gain en courant inverse elle reste inversement proportionnelle au courant de commande, avec un facteur qui dépend des rapports de surface entre les premier et second émetteurs au lieu de dépendre du gain en courant inverse. A titre d'exemple, ce rapport peut être d'environ 0,5 à quelques unités. Ici comme dans le schéma de la figure 2, il pourra être avantageux de symétriser la valeur du courant vue de la borne de signal en donnant aux premiers émetteurs de chaque transistor des tailles différentes. En effet, le courant de commande i, qui est relativement important, se retrouve soit dans la borne de signal soit dans borne de masse selon le signe de la tension Vr. On donnera une surface supérieure au premier émetteur du transistor dont le collecteur est relié à la borne de signal, ceci d'autant plus que les seconds émetteurs sont plus grands par rapport aux premiers. On pourrait aussi envisager, moyennant un calcul assez complexe ou plus simplement une détermination par approximation, de donner au rapport entre premier et second émetteurs une valeur différente pour les deux transistors, toujours dans le but de faire disparaître la disymétrie due à l'écoulement du courant de commande soit dans la borne de masse soit dans la borne de signal. En technologie bipolaire intégrée, chaque transistor sera avantageusement entouré d'une diffusion très concentrée (de type N si les murs d'isolement sont de type P ou vice-versa), qui évitera que le courant de commande ne soit recueilli par les murs d'isolement latéraux des transistors. Cette diffusion concentrée peut être constituee par exemple par le puits d'accès à la couche enterrée lorsqu'elle existe, ce puits entourant alors complètement le transistor en formant un caisson fermé confinant dans la base le courant de commande i. REVENDICATIONS. 1. Résistance intégrée commandable par un courant, caractérisée par le fait qu'elle comprend deux transistors bipolaires de même type (T1 et T2), montés en parallèle tête-bêche, leurs bases étant réunies pour recevoir un courant de commande global (i). 2. Résistance selon la revendication 1, caractérisee par le fait que les surfaces d'émetteurs des deux transistors ne sont pas identiques, la plus petite étant celle du transistor qui a son émetteur relié à une borne de masse dans un circuit incorporant la résistance. 3. Résistance selon l'une des revendications l et 2, caractérisée par le fait que chaque transistor comporte un émetteur supplémentaire relié aux bases réunies, le courant de commande étant celui appliqué à l'ensemble des bases et des émetteurs supplémentaires. 4. Résistance selon la revendication 3, caracterisee par le fait que les surfaces des deux émetteurs de chaque transistor ne sont pas identiques. 5. Résistance intégrée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la région de base de chaque transistor est entourée complètement d'une région de type de conductivité oppose a celle de- murs d'isolement entourant les transistors.