Principe de fonctionnement d’un transistor MESFET

Propriétés physiques d’un électron

Dans n’importe quelle étude sur les différents types de dispositifs à base de semi conducteurs, l’entité de base est toujours un électron. Il est donc nécessaire de connaitre qu’est ce qu’un électron et quelle sont ses propriétés physiques avant de faire une telle étude. Pour répondre à cette question, le physicien Werner Heisenberg a faits des expériences en 1929 qui ont donné une description claire de la manière dont un électron se comporte dans le monde réel. Ceci a aidé à comprendre les limites des deux formalismes qui se sont développées pour décrire l’entité de l’électron.Pour cela, il a utilisé la chambre de Wilson pour détecter les particules et / ou les rayonnements.

Cette chambre représente un environnement fermé contenant une vapeur très saturée (qui peut être de l’eau ou de l’alcool).D’après ces pistes, l’électron peut avoir la notion d’une particule ayant une masse et suit les lois de la mécanique classiques. Il est en effet possible d’appliquer des champs électriques et magnétiques à l’intérieur de la chambre afin de calculer la masse des particules en utilisant les lois de Newton.

Champ électrique fort

Lorsque le champ électrique devient fort, l’énergie des électrons augmente jusqu’à avoir une énergie supérieure à l’énergie de séparation entre la vallée centrale et les vallées satellites où les électrons peuvent transiter. Ces interactions sont isotropes, ont une probabilité élevée et influent beaucoup sur le déplacement de l’électron dans les forts champs électriques. Ce processus devient le plus important parmi toutes interactions possibles. Les phonons qui entrent en jeu dans les transferts inter-vallées sont ce qui se situe au bord de la zone de Brillouin, car leur vecteur d’onde est grand devant celui de l’électron dans la vallée centrale. Dans les vallées satellites, les masses effectives des électrons sont très grandes par rapport aux masses effectives de la vallée centrale. Ceci va leurs permettre d’avoir des mobilités beaucoup plus faible que dans la vallée centrale. Lorsque le champ électrique devient plus fort et dans le cas des matériaux de petite largeur de bande interdite, certains électrons peuvent au cours d’un vol libre acquérir une énergie de telle sorte que leur impact sur un atome du réseau cristallin aboutit à la rupture d’une liaison et à la création d’une paire électron-trou, c’est le cas de l’ionisation par impact .

Les approches de résolution de l’équation de Boltzmann

Trouver une solution à l’équation de Boltzmann a toujours été un domaine de recherche important dans la physique des semi-conducteurs. Cette équation de type intégro-différentielle s’étend sur trois dimensions et a des variables dans l’espace réel et celui des vecteurs d’ondes y compris le temps. Vu cette complexité, il est donc très difficile de trouver des solutions analytiques exactes à cette équation. Néanmoins, il est possible d’obtenir des solutions analytiques dans certains cas, ceci est dû lorsque des hypothèses doivent être faites afin de rendre le problème plus léger. Cependant, même dans le cas d’une réponse linéaire, avec des mécanismes de diffusion très simples, des approximations sont nécessaires. Ceci réduit considérablement la qualité des résultats obtenus. Afin d’obtenir des solutions plus précises, il est préférable d’utiliser des techniques numériques pour la résolution directe de l’équation de Boltzmann. En effet, grâce au développement de l’informatique et au développement des techniques numériques très efficaces, un grand pas vers la solution de l’équation de Boltzmann a été réalisé qui est en mesure de fournir une description exacte et précise des propriétés de transport électronique d’un matériau donné une fois qu’un modèle théorique adéquat de ses propriétés microscopiques est donné. Lorsqu’on fait varier des hypothèses sur des valeurs déterminées, on est dans le cas d’un modèle déterministe. Par contre, lorsqu’on fait varier des hypothèses d’une manière aléatoire, on est dans le cas d’un modèle stochastique. Ce dernier nécessite l’utilisation des variables aléatoires [POU88].

Simulation d’un transistor MESFET à base du Ga0.5In0.5Sb

On a fait la simulation d’un transistor à effet de champ à grille métalsemi-conducteur MESFET à base du Ga0.5In0.5Sb d’une longueur de 600 nanomètres et d’une largeur de 200 nanomètres. Les zones de la source et le drain sont dopés n=3.1021 /cm3 alors que les autres régions sont dopés n=1021 /cm3 . Le transistor est divisé dans les directions x et y avec un maillage rectangulaire de 120×40. La température dans laquelle on fait évoluer la simulation est la température ambiante. En absence de la polarisation, la densité des électrons est uniforme dans tout le dispositif et reste constante. Lorsque la tension appliquée sur la grille est négative, une zone de charge d’espace ZCE se crée entre le contact Schottky et le semi-conducteur.

Puisque cette ZCE s’étend du côté le moins dopé .i.e. le coté semi-conducteur, elle devient de plus en plus importante lorsque la tension de la grille augmente. Dans le cas d’un canal conducteur, c’est-à-dire lorsque la grille est polarisé en inverse et le drain est polarisé en direct (par exemple, Vgs=-0.2v et Vds=0.2v), les électrons commence à circuler entre la source et le drain, les entités principales obtenues par la simulation tel que le champ électrique, le potentiel électrostatique, l’énergie et la vitesse de dérive des électrons sont représentés dans cette partie.

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Table des matières

Liste des Figures
Liste des Tableaux
Liste des Acronymes
Introduction Générale
Chapitre I : Propriétés de matériaux III-V
Introduction
1.1. Présentation des matériaux III-V
1.2. Structure cristalline
1.3. Réseau réciproque et zone de Brillouin
1.4. Structure de bande d’énergie
1.4.1. Influence de la température sur la structure de bande
1.4.2. Notion de la masse effective
1.4.3. Notion de coefficient de non parabolicité
1.4.4. Variation des paramètres d’alliage en fonction du coefficient stœchiométrique x
1.4.4.1. Variation linéaire des paramètres
1.4.4.2. Variation non linéaire des paramètres
1.5. Propriétés du GaInSb et ses applications
1.5.1. Propriétés générales du GaInSb et des antimoniures
1.5.2. Applications du GaInSb et des antimoniures
1.5.2.1. Les dispositifs microélectroniques et circuits intégrés
1.5.2.2. Les détecteurs infrarouges
1.5.2.3. Lasers infrarouges
1.5.2.4. Les cellules thermo-photovoltaïques
1.6. Principaux paramètres du GaSb, InSb et Ga0.5In0.5Sb
Conclusion
Chapitre II : Transport électronique et interactions
Introduction
2.1. Propriétés physiques d’un électron
2.2. Origine du courant électrique
2.2.1 Courant de diffusion
2.2.2. Courant de conduction
2.2.2.1. Courant de conduction en absence du champ électrique
2.2.2.2. Courant de conduction en présence du champ électrique
2.3. La dynamique des électrons
2.4. Equation de Boltzmann
2.4.1. Fondation de l’équation de Boltzmann
2.4.2. Domaine de validité de l’équation de Boltzmann
2.5. Mécanisme d’interactions
2.5.1. Classification des interactions
2.5.1.1. Interactions avec le réseau cristallin
2.5.1.1.1. Interactions Acoustiques
2.5.1.1.2. Interactions piézoélectriques
2.5.1.1.3. Interactions optiques polaires
2.5.1.1.4. Interactions optiques non polaires
2.5.1.1.5. Interactions inter-vallées
2.5.1.2. Interactions avec les défauts
2.5.1.2.1. Interaction avec les impuretés ionisées
2.5.1.2.2. Interaction avec les impuretés neutres
2.5.1.2.3. Interaction des alliages
2.5.1.2.4. Interaction des surfaces
2.5.1.2.5. Interaction Génération-recombinaison
2.5.1.3. Interaction avec les porteurs
2.5.2. Interactions prépondérantes dans les semi-conducteurs
2.5.2.1. Champ électrique faible
2.5.2.2. Champ électrique moyen
2.5.2.3. Champ électrique fort
2.5.2.4. Ionisation par impact
2.5.3. Influence de la température sur les interactions
2.6. Différents régimes du transport électronique
2.6.1. Le régime stationnaire
2.6.2. Le régime non-stationnaire
2.7. Les approches de résolution de l’équation de Boltzmann
2.7.1. Modèles Déterministes
2.7.1.1. Modèle hydrodynamique
2.7.1.1.1. Equation de Poisson
2.7.1.1.2. Equation de conservation du courant
2.7.1.1.3. Equation de conservation du moment
2.7.1.1.4. Equation de conservation de l’énergie
2.7.1.1.5. Equation du bilan énergétique
2.7.1.2. Modèle de dérive diffusion
2.7.2. Modèles stochastiques
Conclusion
Chapitre III : Présentation de la Méthode Monte Carlo
Introduction
3.1. La méthode Monte Carlo appliquée au transport de charges dans les matériaux massifs
3.1.1. Historique de la méthode
3.1.2. Principe général de la méthode
3.1.3. Equations de mouvement
3.1.4. Temps du vol libre
3.1.5. Choix de l’interaction
3.1.6. Etat de la particule après les collisions
3.1.7. Mise en œuvre de la simulation
3.2. La méthode Monte Carlo appliquée au transport de charges dans les dispositifs semiconducteurs
3.2.1. Historique de la modélisation des dispositifs électroniques
3.2.2. Les transistors à effet de champ
3.2.2.1. Le transistor à effet de champ à grille métal-semi-conducteur MESFET
3.2.2.1.1. Principe de fonctionnement d’un transistor MESFET
3.2.3. Effet de la miniaturisation sur la simulation des dispositifs
3.2.4. Principe général de la méthode Monte Carlo appliquée aux dispositifs électroniques
3.2.5. Mise en œuvre de la simulation
Conclusion
Chapitre IV : Résultats de la Simulation et Discussions
Introduction
4.1. Transport électronique dans les matériaux massifs
4.1.1. Modèle de simulation
4.1.2. Présentation de l’outil de la simulation
4.1.3. Caractéristiques du transport dans les différents régimes
4.1.3.1. Transport électronique dans le matériau Ga0.5In0.5Sb
4.1.3.1.1. Transport électronique dans le régime non stationnaire
4.1.3.1.1.1. Vitesse de dérive en fonction du temps pour différent champs électriques
4.1.3.1.1.2. Vitesse de dérive en fonction du temps pour différent températures
4.1.3.1.2. Transport électronique dans le régime stationnaire
4.1.3.1.2.1. Vitesse de dérive en fonction du champ électrique pour différentes températures
4.1.3.1.2.2. Energie en fonction du champ électrique
4.1.3.1.2.3. Taux d’occupations des électrons
4.1.3.2. Transport électronique dans le GaSb, InSb et Ga0.5In0.5Sb
4.1.3.2.1. Transport électronique dans le régime non stationnaire
4.1.3.2.2. Transport électronique dans le régime stationnaire
4.2. Transport électronique dans les dispositifs électroniques
4.2.1. Présentation de l’outil de simulation Archimedes
4.2.2. Simulation de la vitesse de dérive des électrons dans le Ga0.5In0.5Sb
4.2.3. Simulation d’un transistor MESFET à base du Ga0.5In0.5Sb
4.2.3.1. Caractéristique Ids (Vds)
Conclusion
Conclusion Générale
Références Bibliographiques
Production Scientifique
Résumé