Les transistors à effet de champs

Généralités

Le transistor à effet de champ dénommé FET ou TEC repose sur le fonctionnement d’un dispositif semi-conducteur unipolaire, c’est-à-dire qu’un seul type de porteur intervient. Ainsi, pour une utilisation aux hautes fréquences, il est préférable que le type de porteur responsable de l’effet transistor soit celui présentant les meilleures propriétés de transport : mobilité, vitesse et coefficient de diffusion. Les électrons possèdent des propriétés plus intéressantes que les trous les FET sont essentiellement élaborés sur du matériau de type N. Leur principe peut être comparé à une résistance semi-conductrice dont la section est modulée par une jonction polarisée en inverse, principe décrit pour la première fois en 1952 par W.Shockley [1]. Sur ce principe, différentes structures de transistors à effet de champ correspondant à différents contacts de grille ont été élaborées [2] :

◆  grille à jonction PN pour le transistor JFET (Junction Field Effect Transistor).

◆ grille métallique isolée pour le transistor MOSFET (Metal Oxyde Semi-conductor Field Effect Transistor).

◆grille métallique à barrière Schottky pour le transistor MESFET (MEtal Semi conductor Field Effect Transistor).

Le JFET : « LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION »

Le transistor JFET est un composant de structure plane. Il est constitué par une mince couche de matériau semiconducteur de type N (pour un JFET canal N), sur un substrat de type P. Une diffusion de type P⁺ à la surface de la couche réalise l’électrode de la grille et constituant ainsi une jonction P⁺ N verticale .

Deux diffusions N⁺ , aux extrémités du canal, permettent d’assurer les contacts ohmiques de source et de drain.

Le MOSFET : « TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A GRILLE ISOLEE »

Comme tous les transistors ou même les tubes à vide, le MOSFET module le courant qui le traverse à l’aide d’un signal appliqué à son électrode d’entrée ou grille. La structure du transistor MOSFET comprend un isolant (silice SiO2), deux îlots, de type opposé à celui du substrat, la source et le drain, délimitent la région active du dispositif qui se situe précisément sous l’électrode de grille. L’intensité du courant circulant entre la source et le drain est commandée par la tension entre la grille et le substrat. Très souvent les électrodes de source et de substrat sont électriquement reliées.

Les deux types fondamentaux du MOSFET sont les MOSFET à enrichissement E-MOSFET  , et les MOSFET à appauvrissement D-MOSFET  . Dans chaque type de MOSFET, on peut distinguer le MOSFET canal N (le courant provient du déplacement d’électrons) et le MOSFET canal P (le courant provient du déplacement des trous). Les transistors MOS à enrichissement sont bloqués sans tension de commande sur la grille (NORMALLY OFF) ils deviennent passants à partir d’une certaine tension de grille VTH.

Le MESFET : «TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A CONTACT SCHOTTKY»

Dans l’état de l’art aujourd’hui, la structure du Transistor à effet de champ à contact Schottky repose sur une couche active (canal) directement implantée dans le substrat semi-isolant. Ensuite, la grille en métal réfractaire est déposée pour matérialiser le contact Schottky. Puis les zones N+ sont implantées en se servant du métal comme d’un masque pour obtenir deux zones d’accès auto alignées sur la grille.

Le HEMT : « HIGHT ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR »

Le transistor HEMT apparait comme une évolution majeure du MESFET. La différence est que le HEMT utilise une hétérojonction, c’est à dire une jonction entre des matériaux ayant des bandes d’énergie différentes, de manière à faire passer les électrons constituant le courant drain-source dans un semi-conducteur non-dopé, afin de diminuer le temps de transit et donc augmenter les performances en fréquence. La vitesse des électrons est en effet d’autant plus grande que le dopage du semi-conducteur est faible, car la dispersion d’impuretés ionisées est réduite.

Historique du transistor HEMT

Le transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) encore appelé dans la littérature TEGFET ( Two Electron Gas Field Effect Transistor) ou MODFET (Modulation Doped Field Effect Transistor), ou encore SDHT (Selectively Doped Heterojunction Transistor), a été conçu et réalisé simultanément au sein de deux laboratoires, par Thomson en France et par Fujitsu au Japon en 1980.

En 1985, le HEMT est présenté comme un composant micro-onde unique ayant les plus faibles caractéristiques en bruit au monde. Initialement, ce transistor était utilisé dans un radiotélescope à Nobeyama, Japon, qui présente un diamètre de 45 mètres. En refroidissant le composant à la température de l’hélium liquide, il est possible de capter un signal provenant d’une molécule interstellaire située à mille années lumières de la Terre. Plus tard, le HEMT sera implanté dans des récepteurs de télévision pour capter les signaux des satellites géostationnaires (36000 km d’altitude). Puis petit à petit, ce composant se fera une place dans notre quotidien.

Le HEMT constitue une évolution majeure du MESFET (Fet à jonction métal/semiconducteur) et a pris le pas sur ce dernier depuis le début des années 1990 [6]. Ce composant est désormais largement utilisé en tant que composant faible bruit dans les systèmes de télécommunications terrestres et spatiales, dans les radiotélescopes, dans les récepteurs de télévision par satellite, …, dans bon nombre de systèmes électroniques, des téléphones portables aux véhicules automobiles.