Transistors à effet de champ de jonction

Le transistor à effet de champ a été proposé par Julius Lilienfeld dans les brevets américains en 1926 et 1933 (1 900 018). De plus, Shockley, Brattain et Bardeen étudiaient le transistor à effet de champ en 1947. Cependant, les difficultés extrêmes les ont incités à inventer le transistor bipolaire à la place. La théorie des transistors à effet de champ de Shockley a été publiée en 1952. Cependant, la technologie de traitement des matériaux n'était pas suffisamment mature avant 1960, lorsque John Atalla a produit un appareil fonctionnel.

Un transistor à effet de champ (FET) est un unipolaire dispositif, conduisant un courant en utilisant un seul type de porteur de charge. S'ils sont basés sur une dalle de semi-conducteur de type N, les porteurs sont des électrons. À l'inverse, un appareil de type P utilise uniquement des trous.

Opération FET

Au niveau du circuit, le fonctionnement du transistor à effet de champ est simple. Une tension appliquée à la porte , élément d'entrée, contrôle la résistance du canal , la région unipolaire entre les régions de grille. (Figure ci-dessous) Dans un dispositif à canal N, il s'agit d'une plaque de silicium de type N légèrement dopée avec des bornes aux extrémités. La source et vider les bornes sont analogues à l'émetteur et au collecteur, respectivement, d'un BJT. Dans un dispositif à canal N, une région lourde de type P des deux côtés du centre de la dalle sert d'électrode de commande, la grille. La porte est analogue à la base d'un BJT.

« La propreté est à côté de la piété » s'applique à la fabrication de transistors à effet de champ. Bien qu'il soit possible de fabriquer des transistors bipolaires en dehors d'une salle blanche , c'est une nécessité pour les transistors à effet de champ. Même dans un tel environnement, la fabrication est délicate en raison des problèmes de contrôle de la contamination. Le transistor à effet de champ unipolaire est conceptuellement simple, mais difficile à fabriquer. La plupart des transistors d'aujourd'hui sont une variété semi-conductrice à oxyde métallique (section ultérieure) du transistor à effet de champ contenu dans les circuits intégrés. Cependant, des dispositifs JFET discrets sont disponibles.

Section de transistor à effet de champ de jonction.

Un transistor à effet de champ à jonction à canal N (JFET) correctement polarisé est illustré à la figure ci-dessus. La grille constitue une jonction diode à la source pour drainer la dalle semi-conductrice. La grille est polarisée en inverse. Si une tension (ou un ohmmètre) était appliquée entre la source et le drain, la barre de type N conduirait dans les deux sens en raison du dopage. Ni la grille ni la polarisation de grille ne sont nécessaires pour la conduction. Si une jonction de grille est formée comme indiqué, la conduction peut être contrôlée par le degré de polarisation inverse.

La figure ci-dessous (a) montre la région d'appauvrissement à la jonction de grille. Cela est dû à la diffusion de trous de la région de grille de type P dans le canal de type N, donnant la séparation de charge autour de la jonction, avec une région d'appauvrissement non conductrice à la jonction. La région d'appauvrissement s'étend plus profondément dans le côté canal en raison du dopage important des grilles et du dopage léger des canaux.

JFET à canal N :(a) Épuisement au niveau de la diode de grille. (b) La diode de grille polarisée en inverse augmente la région d'appauvrissement. (c) L'augmentation du biais inverse agrandit la région d'épuisement. (d) L'augmentation de la polarisation inverse pince le canal S-D.

L'épaisseur de la région d'appauvrissement peut être augmentée Figure ci-dessus (b) en appliquant un biais inverse modéré. Cela augmente la résistance du canal source au drain en rétrécissant le canal. L'augmentation de la polarisation inverse en (c) augmente la région d'appauvrissement, diminue la largeur du canal et augmente la résistance du canal. L'augmentation du biais inverse VGS en (d) va pincer le courant du canal. La résistance du canal sera très élevée. Cette VGS à laquelle le pincement se produit est VP, la tension de pincement. Il est généralement de quelques volts. En résumé, la résistance du canal peut être contrôlée par le degré de polarisation inverse sur la porte.

La source et le drain sont interchangeables, et le courant de source à drain peut circuler dans les deux sens pour une tension de batterie de drain de faible niveau (<0,6 V). C'est-à-dire que la batterie de décharge peut être remplacée par une source CA basse tension. Pour une tension d'alimentation de drain élevée, jusqu'à 10 volts pour les petits dispositifs de signal, la polarité doit être comme indiqué dans la figure ci-dessous (a). Cette alimentation de drain, non représentée sur les figures précédentes, déforme la zone d'appauvrissement en l'élargissant du côté drain de la grille. Il s'agit d'une représentation plus correcte pour les tensions d'alimentation de drain CC courantes, de quelques à plusieurs dizaines de volts. Au fur et à mesure que la tension de drain VDS augmente, la région d'épuisement de grille s'étend vers le drain. Cela augmente la longueur du canal étroit, augmentant un peu sa résistance. Nous disons « un peu » parce que les grands changements de résistance sont dus au changement de polarisation de la porte. La figure ci-dessous (b) montre le symbole schématique d'un transistor à effet de champ à canal N par rapport à la section transversale du silicium en (a). La flèche de la grille pointe dans la même direction qu'une diode de jonction.

La flèche « pointant » et la barre « non pointée » correspondent respectivement aux semi-conducteurs de type P et N.

Flux de courant JFET à canal N du drain à la source dans (a) la section transversale, (b) le symbole schématique.

La figure ci-dessus montre un flux de courant important de la borne (+) de la batterie vers le drain FET, sortant de la source, retournant à la borne (-) de la batterie. Ce flux de courant peut être contrôlé en faisant varier la tension de grille. Une charge en série avec la batterie voit une version amplifiée de la tension de grille changeante.

Des transistors à effet de champ à canal P sont également disponibles. Le canal est fait d'un matériau de type P. La grille est une région de type N fortement dopée. Toutes les sources de tension sont inversées dans le circuit à canal P (figure ci-dessous) par rapport au dispositif à canal N plus populaire. Notez également que la flèche pointe vers la grille du symbole schématique (b) du transistor à effet de champ à canal P.

JFET à canal P :(a) Porte de type N, canal de type P, sources de tension inversées par rapport au dispositif à canal N. (b) Notez la flèche de porte inversée et les sources de tension sur le schéma.

À mesure que la tension de polarisation de grille positive augmente, la résistance du canal P augmente, diminuant le flux de courant dans le circuit de drain.

Les dispositifs discrets sont fabriqués avec la section transversale indiquée dans la figure ci-dessous. La section transversale, orientée de manière à correspondre au symbole schématique, est à l'envers par rapport à une plaquette semi-conductrice. C'est-à-dire que les connexions de grille se trouvent sur le dessus de la plaquette. La grille est fortement dopée, P+, pour bien diffuser les trous dans le canal pour une grande région d'appauvrissement. Les connexions de source et de drain de ce dispositif à canal N sont fortement dopées, N+ pour réduire la résistance de connexion. Cependant, le canal entourant la grille est légèrement dopé pour permettre aux trous de la grille de se diffuser profondément dans le canal. C'est la région N.

Transistor à effet de champ de jonction :(a) section transversale du dispositif discret, (b) symbole schématique, (c) section transversale du dispositif à circuit intégré.

Les trois bornes FET sont disponibles sur le dessus de la puce pour la version à circuit intégré afin qu'une couche de métallisation (non illustrée) puisse interconnecter plusieurs composants. (Figure ci-dessus (c)) Les FET de circuit intégré sont utilisés dans les circuits analogiques pour la résistance d'entrée de porte élevée. La région du canal N sous la grille doit être très fine pour que la région intrinsèque autour de la grille puisse contrôler et pincer le canal. Ainsi, les régions de porte des deux côtés du canal ne sont pas nécessaires.

ASSISE

Transistor à effet de champ à jonction (type à induction statique) :(a) Section transversale, (b) symbole schématique.

Le transistor à effet de champ à induction statique (SIT) est un dispositif à canal court avec une grille enterrée. (Figure ci-dessus) Il s'agit d'un dispositif d'alimentation, par opposition à un petit dispositif de signal. La faible résistance de grille et la faible capacité grille-source en font un dispositif de commutation rapide. Le SIT est capable de produire des centaines d'ampères et des milliers de volts. Et, on dit qu'il est capable d'une fréquence incroyable de 10 ghz.

Transistor à effet de champ à semi-conducteur métallique (MESFET) :(a) symbole schématique, (b) section transversale.

MESFET

Le Transistor à effet de champ à semiconducteur métallique (MESFET) est similaire à un JFET sauf que la porte est une diode Schottky au lieu d'une diode à jonction. Une diode Schottky est un contact de redressement métallique à un semi-conducteur par rapport à un contact ohmique plus commun. Dans la figure ci-dessus, la source et le drain sont fortement dopés (N+). Le canal est légèrement dopé (N-). Les MESFET sont plus rapides que les JFET. Le MESFET est un dispositif en mode d'épuisement, normalement allumé, comme un JFET. Ils sont utilisés comme amplificateurs de puissance micro-ondes jusqu'à 30 gHz. Les MESFET peuvent être fabriqués à partir de silicium, d'arséniure de gallium, de phosphure d'indium, de carbure de silicium et du diamant allotrope de carbone.

AVIS :

• Le transistor à effet de champ à jonction unipolaire (FET ou JFET) est appelé ainsi car la conduction dans le canal est due à un type de porteur
• La source, la porte et le drain du JFET correspondent respectivement à l'émetteur, à la base et au collecteur du BJT.
• L'application d'une polarisation inverse à la grille fait varier la résistance du canal en élargissant la région d'appauvrissement de la diode de grille.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les transistors à effet de champ à jonction (JFET)