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Ph. Lorenzini 1
Transistors J-FET, MES-FET, HEMT
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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
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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
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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
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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
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Ph. Lorenzini 6
J-FET: transistor à jonction
Influence de la tension de grille
Influence de la tension de drain-source
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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
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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
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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
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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
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Ph. Lorenzini 11
Régime pincé – saturation du courant
PincementPincementConductance nulleConductance nulleCourant nul !Courant nul !
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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.
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Ph. Lorenzini 13
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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
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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
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Ph. Lorenzini 16
MES-FET
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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
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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
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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:
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Ph. Lorenzini 20
Transistor à hétérostructure : HEMT
SourceSource
GrilleGrilleDrainDrain
http://www.eudil.fr/eudil/tec35/hemt/hemtc1.htm
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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
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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
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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
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Ph. Lorenzini 24
Bibliographie
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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.