Transistors à effet de champ à jonction (JFET) : conception, fonctionnement et variantes avancées

Le concept de transistor à effet de champ remonte aux brevets américains de Julius Lilienfeld en 1926 et 1933 (1 900 018). En 1947, Shockley, Brattain et Bardeen ont exploré le dispositif, mais des obstacles pratiques les ont redirigés vers le transistor bipolaire. La théorie séminale de Shockley est parue en 1952, mais ce n'est qu'en 1960 que John Atalla a fabriqué un JFET fonctionnel, marquant une étape clé dans le traitement des semi-conducteurs.

Un transistor à effet de champ (FET) est un dispositif unipolaire qui conduit le courant en utilisant un seul type de porteur de charge. Une plaque de type N héberge des électrons, tandis qu'une plaque de type P transporte des trous.

Fonctionnement du FET

Au niveau circuit, la tension de grille gouverne la résistance du canal entre source et drain. Dans un dispositif à canal N, le canal est une plaque de silicium de type N faiblement dopée ; les régions de type P fortement dopées de chaque côté forment la grille, analogue à la base d'un BJT. Les terminaux source et drain correspondent respectivement à l'émetteur et au collecteur.

La fabrication des FET exige un environnement en salle blanche. Même une contamination mineure peut compromettre le dispositif, rendant la fabrication plus difficile que pour les transistors bipolaires. Aujourd'hui, la plupart des circuits intégrés utilisent des FET metal-oxide-semiconductor (MOS), mais les JFET discrets restent en usage.

Dans un JFET à canal N correctement polarisé, la grille forme une jonction diode polarisée inverse avec la plaque source-drain. Lorsqu'une tension est appliquée entre source et drain, le canal de type N faiblement dopé conduit dans les deux sens — aucun biais de grille n'est nécessaire pour la conduction. Cependant, l'application d'une polarisation inverse à la grille étend la zone d'appauvrissement, augmentant la résistance du canal. La tension de grille à laquelle le canal se pince est appelée tension de pincement (V_P), généralement quelques volts.

La figure 1 illustre comment la zone d'appauvrissement grandit à mesure que la polarisation inverse augmente : (a) appauvrissement initial, (b) biais modéré élargit la zone, (c) biais plus fort rétrécit le canal, et (d) pincement se produit, augmentant dramatiquement la résistance.

Source et drain sont interchangeables, permettant au courant de circuler dans les deux sens pour de faibles tensions de drain (<0,6 V). Pour des alimentations de drain plus élevées (dizaines de volts), la zone d'appauvrissement s'étend vers le drain, augmentant légèrement la résistance du canal. Le symbole schématique pour un FET à canal N est montré ci-dessous, avec la flèche de grille indiquant la jonction de type diode.

Dans un dispositif à canal P, les rôles s'inversent : le canal est de type P, la grille est fortement dopée de type N, et toutes les polarités de tension s'inversent par rapport à la configuration canal N. La flèche schématique pointe vers l'extérieur depuis la grille.

Les JFET discrets sont fabriqués avec la grille positionnée sur la surface supérieure de la tranche, fortement dopée P⁺ pour fournir une large zone d'appauvrissement, et source/drain fortement dopés N⁺ pour minimiser la résistance de contact. Le canal N⁻ faiblement dopé permet une pénétration profonde de l'appauvrissement induit par la grille.

Les FET de circuits intégrés exposent les trois terminaux sur la surface de la puce, permettant aux couches de métallisation d'interconnecter plusieurs dispositifs. Pour les applications analogiques haute fréquence, le canal sous la grille est rendu très mince, éliminant le besoin de régions de grille des deux côtés.

Transistor à induction statique (SIT)

Les SIT sont des dispositifs à canal court et grille enterrée conçus pour la gestion de puissance. Ils présentent une faible résistance de grille et une capacité grille-source minimale, permettant une commutation rapide. Les SIT peuvent délivrer des centaines d'ampères, des milliers de volts, et atteindre des fréquences jusqu'à 10 GHz.

FET métal-semi-conducteur (MESFET)

Les MESFET ressemblent aux JFET mais utilisent un contact métal Schottky comme grille au lieu d'une jonction diode. La grille Schottky offre une capacité plus faible et une vitesse plus élevée. Les MESFET sont des dispositifs mode déplétion (normalement allumés) et sont employés comme amplificateurs de puissance micro-ondes jusqu'à 30 GHz. Ils peuvent être fabriqués sur silicium, arseniure de gallium, phosphure d'indium, carbure de silicium et diamant.

Points clés

• Les JFET sont des dispositifs unipolaires ; la conduction du canal repose sur un seul type de porteur.
• La polarisation inverse de la grille contrôle la résistance du canal via l'expansion de la zone d'appauvrissement.
• Source, grille et drain correspondent directement à l'émetteur, base et collecteur du BJT.
• Variantes avancées — SIT et MESFET — étendent les principes JFET aux applications haute puissance et haute fréquence.

Pour aller plus loin

• Feuille de travail : Transistors à effet de champ à jonction (JFET)