Transistors J-FET, MES-FET, HEMT

Transistors J-FET,
MES-FET, HEMT
Ph. Lorenzini
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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
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Transistors à effet de champ

L’effet de champ est la variation de la
conductance d’un canal, dans un semiconducteur, par l’application d’un champ
électrique.
Grille contrôle le canal
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Coupe schématique d’un J-FET
 a :largeur (hauteur) maximale
du canal, c’est la largeur
«métallurgique ».
Z :profondeur du composant.
h est la largeur de la ZCE sous la
grille dans le canal.
 b largeur effective du canal.
• L longueur de grille
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Transistors à effet de champ
à jonction : J-FET

Dispo 3 pattes




Source
Drain
Grille (« gate »)
2a
Rôle de la grille (gate)

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Contrôle la largeur du
canal
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J-FET: transistor à jonction
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Influence de la tension
de grille
Influence de la tension
de drain-source
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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:


eN D
d 2V
 ( y)




 SC
 SC
dy 2

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Approximation de ZCE
abrupte

D’après jonction PN:
h

2 SC
(Vbi  VG )
eN B
En un point x => h(x):
h( x ) 
2 SC
(Vbi  VG ( x))
eN D
h( x ) 
2 SC
(Vbi  VG  V ( x))
eN D
V(x) est le potentiel dans le canal:
V(0) = VS = 0 V
V(L) = VD = VDS
7
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
eN D a 2
Vp 
2 SC
VT  Vbi  V p
Tension de seuil ou de pincement
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Caractéristiques courant tension

Courant de drain (suivant x):
 Jx = densité de charge x mobilité x champ électrique

courant I:
dV
J ( x)  eN D  n (
)
dx
dV
I D  2Z a  h( x)eN D  n
dx
1

L
 2 SC [V ( x)  Vbi  VG ]  2 
I D  dx  e n N D 2Z  a  
 .dV
eN D

0
0 




VD
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Caractéristiques courant –
tension
En intégrant on obtient finalement:

2[(VDS  Vbi  VGS )3 / 2  (Vbi  VGS )3 / 2 ] 
2Z
ID 
en N D a VDS 

2
1/ 2
L
3(eN D a / 2 )



2[(VDS  Vbi  VGS )3 / 2  (Vbi  VGS )3 / 2 
I D  G0 VDS 

1/ 2
3Vp


Avec :
2Z
G0 
eµn N D a
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L
Conductance max du canal
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Régime pincé – saturation du courant
Pincement
Conductance nulle
Courant nul !
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Vitesse
VDS
I D  2b( x)n( x)eZµn
L
ID
J
2b( x) Z
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.
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Courant en régime saturé
I Dsat
3/ 2 
V p
2(Vbi  VG )
 G0   Vbi  VG 

1/ 2
3V p
 3

VDsat  V p  Vbi  VG  VG  VT
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Saturation par la vitesse
I d (sat )  eN d vsat (a  hsat )W
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Transconductance
I D
gm 
VG

VD
(VD  Vbi  VG )1 / 2  (Vbi  VG )1 / 2
 G0
V p1 / 2
Régime linéaire:
 (Vbi  VG )1/ 2 
I D  G0 1 
VD
1/ 2
Vp



g m ,lin
G0VD

2V p1 / 2 (Vbi  VG )1 / 2
Régime saturé:
g msat
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 (Vbi  VG )1 / 2 
 G0 1 

1/ 2
Vp


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MES-FET
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Fonctionnement en HF
Calcul dans le cas du MES-FET:
Variation de charge : Q
Neutralité  Q dans le canal
temps de « réaction » t
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Q
I D 
t
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Fonctionnement en HF


t 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
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L2
r 
µV DS
L
r 
v sat
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Fonctionnement en HF
CG  CGS  CGD g m 
CG
r
gm
1
fT 

2CG 2r
Réduction de la taille des composants  modèle qui
« colle » à la réalité  « à saturation de vitesse » et
s’écrit :
v sat
fT 
2L
Dans le cas contraire:
Ph. Lorenzini
fT (max)
eµn N D a 2

2L2
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Transistor à hétérostructure : HEMT
Grille
Drain
Source
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http://www.eudil.fr/eudil/tec35/hemt/hemtc1.htm
HEMT
• d largeur
« grand gap »
•
ds
du
semi-conducteur
largeur du « spacer »
• d d largeur du
« grand gap » dopé
semi-conducteur
• e b hauteur de la barrière Schottky
• Ec discontinuité des bandes de
conduction
• V2 ( z ) courbure de potentiel dans la
zone 2 «grand gap» (la barrière)
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MES-FET Parasite
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HEMT
pour plus de détails : H. Mathieu
Voff

EC E F
 b 

 VP2
e
e
2 beme
2de2 me   b 2
I dsat 
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eN D 2
VP2 
dd
2 b
Weµn  
VD2 
 (Vg  Vt )VD 

ID 
L 
2 
g 0 (Vg  Vt ) 2
2VS
I dsat  g 0 (V g  VT )
Canal long
Canal court
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Idées forces pour la technologie FET
Forces directrices
Miniaturisation
Technologie mixte
Motivations et solutions
•Pb de lithographie => optique,
rayons X
•Modèles nouveaux pour le
dessin des dispo
•GaAs + Si: vitesse + densité
•CMOS + BJT : densité + puissance
Nouveaux matériaux
•Matériaux à forte mobilité
Si => GaAs => InGaAs => InAs
•Puissance / haute température
Si => GaAs => GaN => SiC
Nouveaux concepts
•Associer Effet tunnel et FET
•Interférence quantique
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Bibliographie
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
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 », McGrawHill, 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 », McGrawHill, Inc
F. Ali et A. Gupta, Eds., « HEMts &HBTs :devices, fabrication,
and circuits »,Artech House, Boston, 1991.
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