Transistors J-FET, MES-FET, HEMT Ph. Lorenzini 1 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 Ph. Lorenzini 2 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 Ph. Lorenzini 3 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 Ph. Lorenzini 4 Transistors à effet de champ à jonction : J-FET Dispo 3 pattes Source Drain Grille (« gate ») 2a Rôle de la grille (gate) Ph. Lorenzini Contrôle la largeur du canal 5 J-FET: transistor à jonction Ph. Lorenzini Influence de la tension de grille Influence de la tension de drain-source 6 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 Ph. Lorenzini 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 Ph. Lorenzini 8 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 Ph. Lorenzini 9 Caractéristiques courant – tension En intégrant on obtient finalement: 2[(VDS Vbi VGS )3 / 2 (Vbi VGS )3 / 2 ] 2Z ID en 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 Ph. Lorenzini L Conductance max du canal 10 Régime pincé – saturation du courant Pincement Conductance nulle Courant nul ! Ph. Lorenzini 11 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. Ph. Lorenzini 12 Ph. Lorenzini 13 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 Ph. Lorenzini 14 Saturation par la vitesse I d (sat ) eN d vsat (a hsat )W Ph. Lorenzini 15 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 Ph. Lorenzini (Vbi VG )1 / 2 G0 1 1/ 2 Vp 16 MES-FET Ph. Lorenzini 17 Fonctionnement en HF Calcul dans le cas du MES-FET: Variation de charge : Q Neutralité Q dans le canal temps de « réaction » t Ph. Lorenzini Q I D t 18 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 Ph. Lorenzini L2 r µV DS L r v sat 19 Fonctionnement en HF CG CGS CGD g m CG r gm 1 fT 2CG 2r Réduction de la taille des composants modèle qui « colle » à la réalité « à saturation de vitesse » et s’écrit : v sat fT 2L Dans le cas contraire: Ph. Lorenzini fT (max) eµn N D a 2 2L2 20 Transistor à hétérostructure : HEMT Grille Drain Source Ph. Lorenzini 21 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) Ph. Lorenzini MES-FET Parasite 22 HEMT pour plus de détails : H. Mathieu Voff EC E F b VP2 e e 2 beme 2de2 me b 2 I dsat Ph. Lorenzini 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 23 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 Ph. Lorenzini 24 Bibliographie 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. Ph. Lorenzini 25