Analyse et modélisation du JFET de puissance en carbure de

Table de matières
Analyse et modélisation du JFET de puissance en carbure de silicium en régime statique
Thèse INSA de Lyon – CEGELY
Elena Ivanova DIMITROVA – FREY
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Chapitre 1 : Modélisation du JFET
Table de matières
1. PRINCIPE DU JFET ..................................................................................................... 10
1.1 MODELE STATIQUE .................................................................................................. 13
1.1.1 CARACTERISTIQUE DIRECTE .................................................................................. 13
1.1.1.1 Détermination de la zone de charge d’espace ............................................... 13
1.1.1.2 Calcul du courant .......................................................................................... 18
1.1.1.3 Différents régimes de fonctionnement .......................................................... 23
1.1.2 CARACTERISTIQUES DE SORTIE ID = F(VDS, VGS) .................................................. 26
1.1.2.1 Analyse des résultats obtenus........................................................................ 31
1.1.2.1.1 Caractéristique de transfert..................................................................... 31
1.1.3 LIMITATION DE LA THEORIE IDEALE ...................................................................... 32
1.1.4 IMPLANTATION DU MODELE STATIQUE DANS SPICE............................................. 33
1.1.4.1 Mode normal ................................................................................................. 33
1.1.4.2 Mode inverse ................................................................................................. 33
2. CONCLUSION............................................................................................................... 37
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES............................................................................. 38

Fonctionnement du JFET
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1. Principe du JFET
Le transistor à effet de champ (JFET) est un dispositif semi-conducteur qui repose sur
un contrôle du courant de drain à l’aide d’un champ électrique généré par une polarisation
entre grille et source [1]. Il est basé sur l’existence d’un canal conducteur dont la conductance
peut être modulée à l’aide d’une tension appliquée à la grille. Ce type de composant
semiconducteur présente l’avantage de ne faire intervenir qu’un seul type de porteurs dans le
processus de conduction du courant et pour cela il est dit transistor « unipolaire » [2] par
opposition au transistor bipolaire. Pour les JFETs canal N que nous allons utiliser, il s’agit des
électrons.
La Figure 1-1 qui se rapporte au canal d’un transistor à effet de champ de type N [3]
précise les notations et le sens de référence pour l’analyse.
Dans la pratique le canal JFET peut prendre plusieurs formes : vertical, horizontal,
symétrique, asymétrique (oxyde), etc.
Nous allons dans un premier temps étudier une structure générique qui pourra
s’appliquer à plusieurs cas de figure par la suite.
Le schéma présenté ici de la structure générique est un schéma de principe.

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Figure 1-1 : Représentation schématique du canal non pincé dans une structure JFET à
canal N avec le sens d’orientation des axes (La structure présente une symétrie verticale.
L’origine de l’axe des y est située en haut du canal.)
Puisqu’on a une symétrie, on ne modélise qu’une seule partie de la structure sachant
que :
 hε est une épaisseur très faible, symbolique dans le modèle, pour éviter le
court-circuit grille-source ;
 Ψ(y) est le potentiel électrique dans le semi-conducteur le long du centre du
canal.
Pour une pleine utilisation de l’aire de conduction et pour disposer d’une « base »
large et peu dopée indispensable à la tenue en tension pour les composants que nous voulons
étudier, la structure du composant est verticale. En règle générale, le matériau de base est de
type N pour bénéficier de la plus grande mobilité des électrons [4].
x
y
h Grille (VGS)
aa
Ψ(y)
a–W N
D
Grille (VGS)
Source (VS)
Drain
(
VDS
)
y = 0 hε
W
(y)
P+
W
(y)
P+

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Le JFET ici présenté est constitué d’un canal le long duquel peut circuler le courant
[5]. Le canal possède deux contacts ohmiques, l’un qui joue le rôle de cathode (source) et
l’autre – d’anode (drain). La circulation du courant est due à l’application d’une tension
appropriée entre les bornes drain et source du composant. La troisième électrode (la grille)
forme une jonction P-N avec le canal dopé N [5]. Pour contrôler le courant, on va polariser la
jonction grille-source. Une zone de charge d’espace, ZCE, se développera dans la région
faiblement dopée qui sépare les grilles de la couche N en fonction de la tension appliquée [4].
Cette ZCE modulera le passage du courant.
Une polarisation convenable de la grille par rapport à la source permet de contrôler
l’étendue W(y) de la zone de charge d’espace au niveau de la jonction P-N qui modulera la
largeur du canal, 2[a – W(y)], jusqu’à l’annuler (c’est le phénomène de pincement). On peut
donc contrôler la résistance à l’état passant du JFET en jouant sur la largeur du canal c'est-à-
dire sur l’extension de la zone de charge d’espace dans celui-ci [6]. En appliquant une
polarisation négative sur la grille et une tension de drain positive (pour le JFET canal N) un
courant s’établit du drain vers la source. Le JFET canal P exige des polarités de tension
opposées [3], [6], [7].
Les symboles et la convention de signes pour un transistor JFET canal N et P sont
indiqués à la Figure 1-2.
Figure 1-2 : Symboles du transistor JFET et convention de signes
VGS
ID
D
VDS
Canal N
S
G IG
VGS
I
D
D
VDS
S
Canal P
GIG

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Pour le JFET de type N le drain est à un potentiel positif par rapport à la source et la
jonction grille-canal est polarisée en inverse pour réduire le courant. Pour le JFET de type P la
flèche change de sens.
Nous allons maintenant présenter les équations qui régissent le fonctionnement du
JFET.
1.1 Modèle statique
Cette partie souligne les aspects de base du comportement d’un transistor à effet de
champ à jonction afin d’obtenir son modèle statique.
1.1.1 Caractéristique directe
1.1.1.1 Détermination de la zone de charge d’espace
La jonction PN de la grille du transistor JFET permet aux porteurs majoritaires de
chacun des deux côtés de diffuser l’un vers l’autre. A cause de la migration dans la jonction
deux zones différentes sont alors observées :
1) Une zone en régime de désertion, la zone de charge d’espace, désertée de porteurs à
cause du champ électrique [8] (zone hachurée sur la Figure 1-1).
2) Une zone neutre [9] disposée entre les deux zones de charge d’espace dans laquelle
passe le courant.
Figure 1-3 : Répartition des porteurs dans le canal du JFET non polarisé (De chaque côté du
canal la jonction PN crée une zone de charge d’espace)
P
P
région neutre région neutre
W
ZCE
p
= NAEG
n= ND
N
W
ZCE
x
y