Chap 5: JFET / MESFET
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Ph. Lorenzini 1 TRANSISTORS J-FET, MES-FET, HEMT Ph. Lorenzini 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 2 3 Ph. Lorenzini 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 4 Ph. Lorenzini Coupe schématique d’un J-FET a :largeur (hauteur) maximale du canal, c’est la largeur «métallurgique ». W :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 W 5 Ph. Lorenzini 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 Ph. Lorenzini 6 J-FET: transistor à jonction Influence de la tension de grille Influence de la tension de drain-source 7 Ph. Lorenzini 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 ( y) d V 2 SC SC dy 2 • 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 8 Ph. Lorenzini 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 eN D a 2 Vp 2 SC VT Vbi V p est donc Tension de seuil ou de pincement 9 Ph. Lorenzini 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 2W a h( x)eN D n dx 2 [V ( x) V V ] 12 bi G I D dx e n N D 2W a SC .dV eN D 0 0 L VD 10 Ph. Lorenzini Caractéristiques courant – tension En intégrant on obtient finalement: 2[(VDS Vbi VGS )3 / 2 (Vbi VGS )3 / 2 ] 2W 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 3 V p Avec : 2W G0 eµn N D a L Conductance max du canal Ph. Lorenzini 11 Régime pincé – saturation du courant Pincement Conductance nulle Courant nul ! 12 Ph. Lorenzini Vitesse I D 2b( x)n( x)eWµn ID J 2b( x)W VDS L 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 13 14 Ph. Lorenzini Courant en régime saturé I Dsat 3/ 2 V p 2(Vbi VGS ) G0 Vbi VGS 1/ 2 3V p 3 VDsat V p Vbi VGS VGS VT Ph. Lorenzini Saturation par la vitesse I d ( sat ) eN d vsat (a hsat )W 15 16 Ph. Lorenzini Transconductance I D gm VGS VD (VD Vbi VGS )1/ 2 (Vbi VGS )1/ 2 G0 V p1/ 2 • Régime linéaire: (Vbi VGS )1/ 2 I D G0 1 VDS 1/ 2 Vp g m ,lin G0VDS 1/ 2 2V p (Vbi VGS )1/ 2 • Régime saturé: g msat (Vbi VGS )1/ 2 G0 1 1/ 2 Vp Ph. Lorenzini MES-FET 17 18 Ph. Lorenzini Fonctionnement en HF Calcul dans le cas du MES-FET: Variation de charge : Q Neutralité Q dans le canal temps de « réaction » t Q I D t 19 Ph. Lorenzini Fonctionnement en HF • t est fonction de la longueur du canal temps de transit des électrons dans le dispositif. • 2 cas: • Modèle mobilité constante L2 r µVDS • Régime de saturation de vitesse L r v sat 20 Ph. Lorenzini Fonctionnement en HF CG CGS CGD gm CG r gm 1 fT 2CG 2 r 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: eµn N D a fT (max) 2L2 2 21 Ph. Lorenzini Transistor à hétérostructure : HEMT Grille Drain Source http://www.eudil.fr/eudil/tec35/hemt/hemtc1.htm 22 Ph. Lorenzini 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 • E c discontinuité des bandes de conduction • V2 ( z ) courbure de potentiel dans la zone 2 «grand gap» (la barrière) MES-FET Parasite 23 Ph. Lorenzini HEMT pour plus de détails : H. Mathieu Voff EC E F b VP2 e e 2 b eme 2de 2 me b 2 I dsat Weµn ID L VP2 VD2 (V g Vt )VD 2 g 0 (V g Vt ) 2 2VS eN D 2 dd 2 b I dsat g 0 (V g VT ) Canal long Canal court 24 Ph. Lorenzini Idées forces pour la technologie FET Forces directrices Miniaturisation Technologie mixte Nouveaux matériaux Nouveaux concepts Motivations et solutions •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 Ph. Lorenzini 25 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.
