Transistors à effet de champ

TRANSISTORS J-FET,

MES-FET, HEMT

Transistors à effet de champ

•

Importance des FET et les différents types

•

Une image physique de « comment ça marche »

•

J-FET et MES-FET

•

Les MOD-FET ou HEMT

•

Les forces motrices pour les FETs modernes

Transistors à effet de champ

• L’effet de champ est la variation de la conductance d’un canal, dans un semi- conducteur, par l’application d’un champ électrique.

Grille contrôle le canal

Coupe schématique d’un J-FET

 a :

«métallurgique ».

W :profondeur du composant.



h



b

•

W

Transistors à effet de champ à jonction : J-FET

• Dispo 3 contacts

•

Source

•

Drain

•

Grille (« gate »)

• Rôle de la grille (gate)

•

Contrôle la largeur du canal

2a

J-FET: transistor à jonction

Influence de la tension de grille

Influence de la tension de drain-source

Caractéristiques courant - tension

•

Hypothèses simplificatrices:

• Mobilité des porteurs cte dans le canal

• Approximation du canal graduel ( L >> h => E(x)<< E(y) ) => Eq.

de Poisson à 1D:

• Approximation de ZCE abrupte

SC D SC

y eN dy

V d









 ( )

2 2



D’après jonction PN:



En un point x => h(x):

) 2 (

G bi

B

SC V V

h  eN 

)) ( 2 (

) (

)) ( 2 (

) (

x V V

eN V x

h

x V eN V

x h

G bi

D SC

G bi

D SC















V(x) est le potentiel dans le canal:

V(0) = V_S = 0 V V(L) = V_D

=

Caractéristiques courant - tension

• Tension interne de pincement : la tension aux bornes de la ZCE nécessaire pour déserter tout le canal

• la tension de grille à appliquer est donc

SC D p

a V eN

 2



p bi

T

V V

V  

Tension de seuil ou de pincement

Caractéristiques courant - tension

• Courant de drain (suivant x):

•

J

= densité de charge x mobilité x champ électrique

•

courant I: ( ) ( )

dx eN dV

x

J  





 

dx eN dV

x h a W

I

 2  ( )



eN dV

V V

x a V

W N

e dx

I

VD

D

G bi

SC D

n L

D

2 [ ( ) ] .

2

0

12

0



 _ ^





 





 



 

  



   dV

eN

V V

x a V

W N

e dx

I

VD

D

G bi

SC D

n L

D

2 [ ( ) ] .

2

0

12

0



 _ ^





 





 



 

  



  

Caractéristiques courant – tension

En intégrant on obtient finalement:

 



 

     



) 2 / (

3

] )

( )

[(

2 2

 

a eN

V V

V V

V V a N L e

I W

D

GS bi

GS bi

DS DS

D n D



 





 

     



3

] ) (

) [(

2

p

GS bi

GS bi

DS DS

D

V

V V

V V

V V G I

Avec :

a N L eµ

G 2 W

0

 Conductance max du canal

Régime pincé – saturation du courant

Pincement

Conductance nulle Courant nul !

L eWµ V x

n x b

I_D  2 ( ) ( ) _n ^DS

W x b J I

) (

 2

Si b(x)=0, J tend vers l’infini : impossible Seules solutions pour maintenir I=cte

Augmenter v(x) et/ou n(x) 1 seule : n(x)  couche

d’accumulation qui « ouvre » le canal.

Courant en régime saturé

 





 



    



3

) (

2

3

GS bi

GS bi

p

Dsat

V

V V V

V V G

I  





 



    



3

) (

2

3

GS bi

GS bi

p

Dsat

V

V V V

V V G

I

T GS

GS bi

p

Dsat V V V V V

V _Dsat  V _p  V _bi  V _GS  V _GS  V _T

V     

Saturation par la vitesse

W h

a v

eN sat

I _d ( )  _{d sat} (  _sat )

Transconductance

•

Régime linéaire:

•

Régime saturé:

2 / 1

2 / 1 2

/ 1 0

) (

) (

p

GS bi

GS bi

D GS V

D

m

V

V V

V V

G V V

g I

D







 



 

 





 



 





(

)

1

p GS bi

msat

V

V G V

g

2 / 1 2

/ 1

0

,

2

(

)

DS lin

m

V V V

V g G

 

DS p

GS bi

D

V

V V G V

I  





 



 





(

)

1

MES-FET

Fonctionnement en HF

Calcul dans le cas du MES-FET:

Variation de charge :

Neutralité  dans le canal

temps de « réaction »

 Q

 Q

 t

t I

Q



 



Fonctionnement en HF

•

est fonction de la longueur du canal  temps de transit des électrons dans le dispositif.

•

2 cas:

• Modèle mobilité constante

• Régime de saturation de vitesse

 t

DS

r

µV

L

 

DS

r

µV

L

 

sat

r

v

 L



sat

r

v

 L



Fonctionnement en HF

r G

m

g ^ C  ^f

^{ 2  g C}

^{ 2  1}

Réduction de la taille des composants  modèle qui

« colle » à la réalité  « à saturation de vitesse » et s’écrit :

L f

v



 2

2 2 (max)

2 L a N f

eµ

 

Dans le cas contraire:

GD GS

G

C C

C  

Transistor à hétérostructure : HEMT

Source

Grille

Drain

http://www.eudil.fr/eudil/tec35/hemt/hemtc1.htm

HEMT

• largeur du semi-conducteur

« grand gap »

• largeur du « spacer »

• largeur du semi-conducteur

« grand gap » dopé

• hauteur de la barrière Schottky

• discontinuité des bandes de conduction

• courbure de potentiel dans la zone 2 «grand gap» (la barrière)

d

d

d

e 

E



)

2

( z V

MES-FET Parasite

HEMT

pour plus de détails : H. Mathieu



 



  

 ( ) 2

2 D D

t g

n D

V V V L V

I Weµ 

P2

F C

b

off

V

e E e

V  E  



 

2

2 d

b D

P

eN d

V ^ 

2

2

2

 



 

b e

e b

m de

em

 

S t g

dsat

V

V V

I g

2

)

(

0



 Canal long

)

0

(

dsat

g V V

I   Canal court

Idées forces pour la technologie FET

Forces directrices Motivations et solutions Miniaturisation

Technologie mixte Nouveaux matériaux

Nouveaux concepts

•Pb de lithographie => optique, rayons X

•Modèles nouveaux pour le dessin des dispo

•GaAs + Si: vitesse + densité

•CMOS + BJT : densité + puissance

•Matériaux à forte mobilité

Si => GaAs => InGaAs => InAs

•Puissance / haute température Si => GaAs => GaN => SiC

•Associer Effet tunnel et FET

•Interférence quantique

• S.M. Sze « Physics of semiconductors devices », 2° édition, Wiley, New York, 1981

• H.Mathieu, « Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques », 4° édition, Masson 1998.

• J. Singh, « semiconductors devices : an introduction », McGraw- Hill, Inc 1994.

• Y.Taur et T.H. Ning, « Fundamentals of Modern VLSI devices », Cambridge University Press, 1998.

• K.K. Ng, « complete guide to semiconductor devices », McGraw- Hill, Inc

• F. Ali et A. Gupta, Eds., « HEMts &HBTs :devices, fabrication, and circuits »,Artech House, Boston, 1991.