Les transistors à effet de champ à grille Schottky (MESFET)

LES DIFFERENTS TYPES DE COMPOSANTS ACTIFS

Les transistors à effet de champ à grille Schottky (MESFET) : Ce composant reste la base des circuits intégrés monolithiques microondes réalisées en grande série pour la partie émission des radiotéléphones ou les récepteurs de télévision par satellite. Une tension appliquée entre les contacts ohmiques de drain et de source fait circuler un courant d’électrons parallèlement à la surface du semiconducteur. La saturation de ce courant est due à la saturation de la vitesse des électrons. L’intensité du courant est contrôlée par la profondeur de la zone déplétée qui apparaît sous la jonction métal-semiconducteur constituant la grille (contact Schottky) et qui est polarisée en inverse. Les performances en fréquence de ce type de transistor ont d’abord été améliorées en diminuant la longueur de grille qui est passée en 20 ans de 0,7 à 0,15 μm. Les largeurs vont de 10 μm à 200 μm par doigt de grille. Les descriptions du fonctionnement de ce composant à l’aide de formulations analytiques (modèles à canal graduel) restent très partielles Car elles décrivent mal la forme particulière 5 de la courbe de vitesse des électrons en fonction du champ électrique qui comporte un pic puis une saturation. Des électrons rapides rattrapent des électrons lents pour former une accumulation à la fin du canal. Les modèles de ce transistor, qu’ils soient linéaires ou non linéaires seront donc plutôt obtenus en approximant les résultats de mesures par des fonctions numériques (modèles phénoménologiques).

Le transistor à effet de champ à grille Schottky de type bigrille : Ce transistor est réalisable pour tous les types de transistors à effet de champ qui sont décrits ci-après et il offre l’avantage de donner pratiquement autant de gain que deux transistors en cascade. En réalité, il n’est proposé que pour le MESFET. La raison est que, tant que la distance entre les deux grilles L n’est pas inférieure à la longueur des grilles LG1 ou LG2, son comportement est absolument identique à celui d’un montage cascode qui, lui même, ne prend que peu de place pour un transistor à effet de champ et qui ne demande pas une étude particulière du composant comme c’est le cas pour les transistors big rilles. Le montage cascode sera décrit avec les différents montages de transistors.

Le transistor à effet de champ à hétérojonction (HFET) : Une autre technique pour diminuer le temps de transit dans les transistors consiste à faire passer les électrons constituant le courant source drain dans un semiconducteur non dopé. La vitesse des électrons est en effet d’autant plus rapide que le dopage du semiconducteur est faible. Les figures 1.2 et 1.3 représentent un transistor à effet de champ à hétérojonction de type GaAlAs / GaAs. Plusieurs couches de semiconducteurs différents sont placées sous les électrodes. Ces couches constituent une hétérojonction entre un premier semiconducteur (GaAs) et un second semiconducteur (GaxAl1-xAs) ayant un gap qui dépend de la proportion x, mais qui est toujours plus élevé que celui de GaAs. La répartition de la différence de gap entre la bande de conduction (ΔEc) et la bande de valence (ΔEv) des diagrammes d’énergie crée un puits de potentiel du côté GaAs de l’hétérojonction qui a été délibérément non dopé. Le matériau GaAlAs étant dopé N, des électrons en provenance de la partie dopée s’accumulent dans le puits de potentiel qui va constituer le canal du transistor. Sous l’effet de la tension appliquée entre drain et source, ces électrons vont se déplacer dans une zone non dopée et donc à grande vitesse. Cette particularité permet, à longueur de grille identique, d’augmenter la fréquence de coupure de ce type de composant par rapport à un transistor à effet de champ à canal simple. L’inconvénient de ce type de transistor vient de ce que le canal est constitué par le puits de potentiel qui a une largeur très faible. Ceci limite le courant de ce composant.

Le transistor à effet de champ pseudomorphique (P-HFET) : Pour pallier l’inconvénient de la structure précédente, une solution consiste à réaliser un canal tel qu’il est représenté sur la figure 1.4. Cette fois, le canal est constitué d’un composé GaInAs qui se trouve en sandwich entre les couches GaAlAs et GaAs du transistor précédent. Il y a donc maintenant deux hétérojonctions qui forment un puits de potentiel plus large que pour la structure précédente (figure 1.5). Le courant dans ce transistor peut donc être plus élevé. Mais, la vitesse des électrons dans GaInAs (non dopé) est aussi plus élevée que dans GaAs. Cette dernière caractéristique est tempérée par le fait que le matériau GaInAs n’est pas parfaitement adapté en longueur de maille avec GaAs et GaAlAs. La dimension de la maille du cristal de GaInAs (par exemple : Ga0,85In0,15As) doit s’aligner de force sur celle de GaAs lors de l’épitaxie: le matériau GaInAs est contraint et aucune dislocation ne se produit si la couche est suffisamment fine. C’est cette couche, appelée pseudomorphique, qui donne son nom à ce type de transistor. La vitesse des électrons dans le matériau contraint n’est pas aussi grande que dans le cristal de GaInAs relaxer, mais reste supérieure à la vitesse dans GaAs. Ce type de transistor existe aussi sur substrat InP. Une couche de Ga0,47In0,53As peut alors être disposée en sandwich entre une couche d’In0,52Al0,48As et une couche d’InP qui ont un gap plus grand et les proportions de Ga et de In qui sont choisies correspondent à un accord de maille parfait avec InP et surtout, avec cette nouvelle proportion entre Ga et In, les électrons sont plus rapides. Ce dernier transistor est à double hétérojonction, mais n’est plus pseudomorphique. Avec le transistor précédent (substrat InP) mais une couche de Ga0,35In0,65As, les électrons vont encore plus vite et cette fois, le transistor est à nouveau pseudomorphique.

Le transistor MOS : Ce transistor est de loin le plus répandu des transistors constituant les circuits intégrés puisqu’on le trouve en un milliard d’exemplaires sur certaines puces de mémoire. Son profil est rappelé sur la figure 1.6. C’est un transistor à effet de champ, dans lequel on trouve une grille métallique (M), un isolant (I) et le semiconducteur (S). Son nom général est donc MISFET. Mais le seul isolant qui ait été réalisé dans de bonnes conditions est un oxyde (O) de silicium sur un substrat silicium. Le seul MISFET existant est donc un MOSFET. Si une tension suffisamment positive est appliquée sur la grille du transistor de la figure 1.6, à l’interface entre l’isolant et le semiconducteur dopé P, il apparaît une couche d’inversion, c’est à dire des charges N qui constituent le canal du transistor. La quantité de charges est contrôlée par la grille et elles peuvent être mises en mouvement par une tension entre source et drain. Ce transistor est en principe assez lent pour deux raisons. D’une part, les électrons de la couche d’inversion doivent arriver par les contacts latéraux. D’autre part, le transport de ces électrons s’effectue juste à l’interface entre oxyde et semiconducteur. Cette interface n’est jamais parfaite et donc la vitesse des porteurs y est plus faible que dans la partie massive du matériau où elle est déjà assez lente pour le Si. Mais pour augmenter le nombre de transistors sur une puce, il a fallu considérablement diminuer leur dimension et les longueurs de canal arrivent à 0,18 ou 0,15 μm ce qui diminue considérablement le temps de transit sous la grille. Ces transistors, au moins ceux ayant un canal N, ont ainsi des fréquences de coupure d’une dizaine de Ghz, ce qui permet d’en faire des circuits intégrés pour la partie basse des microondes.