Ph. Lorenzini 1

Transistors J-FET, MES-FET, HEMT

Ph. Lorenzini 2

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 3

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

Ph. Lorenzini 4

Coupe schématique d’un J-FET

  a :largeur (hauteur) maximale du canal, c’est la largeur «métallurgique ». :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 5

Transistors à effet de champ à jonction : J-FET

Dispo 3 pattes 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

Ph. Lorenzini 7

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

eNy

dy

Vd

)(

2

2

D’après jonction PN:

En un point x => h(x):

)(2

GbiB

SC VVeN

h

))((2

)(

))((2

)(

xVVVeN

xh

xVVeN

xh

Gbi

D

SC

Gbi

D

SC

V(x) est le potentiel dans le canal:V(0) = VS = 0 V

V(L) = VD = VDS

Ph. Lorenzini 8

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

Dp

aeNV

2

2

pbiT VVV

Tension de seuil ou de pincementTension de seuil ou de pincement

Ph. Lorenzini 9

Caractéristiques courant - tension

Courant de drain (suivant x): Jx = densité de charge x mobilité x champ électrique

courant I:

)()(dx

dVeNxJ nD

dx

dVeNxhaZI nDD )(2

dVeN

VVxVaZNedxI

DV

D

GbiSCDn

L

D .])([2

20

21

0

dVeN

VVxVaZNedxI

DV

D

GbiSCDn

L

D .])([2

20

21

0

Ph. Lorenzini 10

Caractéristiques courant – tensionEn intégrant on obtient finalementEn intégrant on obtient finalement:

2/12

2/32/3

)2/(3

])()[(22

aeN

VVVVVVaNe

L

ZI

D

GSbiGSbiDSDSDnD

2/1

2/32/3

0 3

)()[(2

p

GSbiGSbiDSDSD V

VVVVVVGI

Avec :Avec :

aNeµL

ZG Dn

20 Conductance max du canal

Ph. Lorenzini 11

Régime pincé – saturation du courant

PincementPincementConductance nulleConductance nulleCourant nul !Courant nul !

Ph. Lorenzini 12

L

VeZµxnxbI DS

nD )()(2

Zxb

IJ D

)(2

Si b(x)=0, J tend vers l’infini : impossibleimpossible

Seules solutions pour maintenir I=cteAugmenter v(x) et/ou n(x)Seules solutions pour maintenir I=cteAugmenter v(x) et/ou n(x)

1 seule : n(x) n(x) couche couche d’accumulation qui « ouvre » le canal.d’accumulation qui « ouvre » le canal.

1 seule : n(x) n(x) couche couche d’accumulation qui « ouvre » le canal.d’accumulation qui « ouvre » le canal.

Ph. Lorenzini 13

Ph. Lorenzini 14

Courant en régime saturé

2/1

2/3

0 3

)(2

3 p

GbiGbi

pDsat V

VVVV

VGI

2/1

2/3

0 3

)(2

3 p

GbiGbi

pDsat V

VVVV

VGI

TGGbipDsat VVVVVV TGGbipDsat VVVVVV

Ph. Lorenzini 15

Transconductance

Régime linéaire:

Régime saturé:

2/1

2/12/1

0

)()(

p

GbiGbiD

VG

Dm V

VVVVVG

V

Ig

D

2/1

2/1

0

)(1

p

Gbimsat

V

VVGg

2/12/10

, )(2 Gbip

Dlinm VVV

VGg

D

p

GbiD V

V

VVGI

2/1

2/1

0

)(1

Ph. Lorenzini 16

MES-FET

Ph. Lorenzini 17

Fonctionnement en HFCalcul dans le cas du MES-FET:Calcul dans le cas du MES-FET:

Variation de charge :

Neutralité dans le canal

temps de « réaction »

Q

Q

t

t

QI D

Ph. Lorenzini 18

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

DSr µV

L2

DS

r µV

L2

satr v

L

satr v

L

Ph. Lorenzini 19

Fonctionnement en HF

r

GSm

Cg rGS

mT C

gf

2

1

2

Réduction de la taille des composants Réduction de la taille des composants modèle qui modèle qui « colle » à la réalité « colle » à la réalité « à saturation de vitesse » et « à saturation de vitesse » et s’écrit :s’écrit :

L

vf sat

T 2

2

2

(max) 2 L

aNeµf Dn

T

Dans le cas contraire:Dans le cas contraire:

Ph. Lorenzini 20

Transistor à hétérostructure : HEMT

SourceSource

GrilleGrilleDrainDrain

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

Ph. Lorenzini 21

• 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

sd

dd

be

cE

)(2 zV

HEMT

MES-FET ParasiteMES-FET Parasite

Ph. Lorenzini 22

HEMTpour plus de détails : H. Mathieu

HEMTpour plus de détails : H. Mathieu

2)(

2D

Dtgn

D

VVVV

L

WeµI

2PFC

boff Ve

E

e

EV

2

22 db

DP d

eNV

222

2

be

eb

mde

em

S

tgdsat V

VVgI

2

)( 20

Canal long

)(0 Tgdsat VVgI Canal court

Ph. Lorenzini 23

Idées forces pour la technologie FETIdées 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 mobilitéSi => GaAs => InGaAs => InAs•Puissance / haute températureSi => GaAs => GaN => SiC

•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 », 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.