Structure de bande et zone de Brillouin

Structure de bande et zone de Brillouin

Le transistor à effet de champ : MESFET

Introduction

Le transistor à effet de champ est le type concurrent du transistor bipolaire. C’est un composant actif unipolaire, c’est-à-dire la conduction électrique est assuré par un seul type de porteurs de charges : électrons ou trous. Il existe de nombreux types de transistors à effet de champ. La différence entre eux réside dans le procédé de fabrication exploité et la structure interne de ceux-ci. Les transistors MESFET et MOSFET sont les types les plus sollicités pour les domaines hostiles où la précision et le meilleur rendement sont exigés. Au cours de ce chapitre une modélisation électrique du transistor MESFET sera exposée. L’invention du premier transistor à effet de champ à barrière Schottky MESFET : Metal-semiconductor- field- effect-transistor date en 1966 par Carver Mead [Mea66]. Cette idée d’introduire une barrière Schottky, a été exploitée en 1967 par Hooper et Lehrer [Hoo66], dans le but de réaliser un MESFET à base d’Arsénure de Galium (GaAs). Ce MESFET été élaboré à partir d’un substrat GaAs semi-isolant sur lequel une couche GaAs, dopée N, est déposée par épitaxie. Pour les contacts, la grille été fabriqué de l’Aluminium tandis-que les le drain et la source sont fabriqués à l’aide de l’étain-tellure (voir figure 2.1). Aussi, le plus souvent le MESFET est réalisé sur un substrat fortement dopé, dans le but de minimiser la résistance parasite au niveau du drain [Ber04].
De plus, la barrière Schottky a pour rôle de moduler un flux de courant à travers le dispositif. Par rapport au MOSFET (et même le JFET), la structure du MESFET élimine les captures, par les centres de défauts, au niveau de l’interface métal-oxyde-semiconducteur et réduit considérablement l’instabilité des porteurs minoritaires [Neu09]. Un autre avantage apporté par le MESFET est que la grille en métal nécessite un processus de croissance à faible température en comparaison avec la grille en jonction PN qui se croitre sous haute température.De même, la jonction métal-semiconducteur améliore grandement la vitesse du transistor. Les avantages cités ci-dessus ont rendus le MESFET un redoutable dispositif pour les applications micro-ondes, de radiofréquences et de fortes puissances. En 1970, Middlehoek [Mid70] réalisa le premier MESFET, en silicium et d’une longueur de grille de 1µm, capable d’atteindre une fréquence d’oscillation >12GHz.Après l’amélioration de la technologie de croissance et l’apparition de nouveaux substrats semiconducteurs à large gap, les scientifiques sont intéressés de faire opérer le MESFET en hautes températures et fortes puissances. A titre d’exemple nous citons : les oscillateurs à base du SiC-MESFET fonctionnant à une température de 475°C [Sch05] et les amplificateurs de puissance à haut rendement [Dub03].

Fonctionnement du MESFET

Structure

La structure de base d’un MESFET est exposée dans la figure 2.2. Ce transistor possède trois contacts : Grille, Source et Drain. Suite à la jonction métal-semiconducteur, une zone de charge d’espace ZCE (zone dépeuplée des charges) est naturellement formée au dessous de la grille. Le courant dans la ZCE est nul. La largeur de cette zone dépend fortement de la tension appliquée au niveau de la grille. Cette polarisation a aussi pour effet d’accélérer les électrons de la source vers le drain, en traversant une région non-désertée appelée ‘’Canal’’.
La résistance du MESFET évolue inversement avec la largeur de la ZCE selon la relation ci-dessous :
: La résistivité du matériau qui dépend fortement de la concentration des dopants (dans notre cas c’est ) ; L : est la longueur de la grille.
: Représente la surface de la ZCE qui dépend des dimensions géométriques du MESFET (voir figure 2.2) et de la largeur de la ZCE « ».
Selon l’épaisseur de la couche épitaxiale et le dopage utilisé, on distingue deux types du MESFET :
o MESFET à appauvrissement (Normally On).
o MESFET à enrichissement (Normally Off).

Principe

Le fonctionnement de tous les transistors à effet de champ peut être assimilé à un même principe. Il consiste à moduler un flux de courant électrique dans le canal. Cette dernière est formée au dessous de la grille sous l’effet d’une polarisation extérieure VGS (tension grille-source positive ou négative selon le type du transistor).La polarisation à pour but de créer un champ électrique longitudinal attractif ou répulsif, afin de former un canal à enrichissement ou à appauvrissement respectivement. Donc on parle d’un canal contrôlé en courant. Le courant IDS ne circule dans le canal sauf si une tension VDS suffisante est appliquée aux bornes du drain et de la source (figure 2.3).
o Pour VDS=0 (quelque soit VGS ):
 Transistor bloqué (IDS =0)
o Pour VDS > 0 :
 Lorsque VGS devient négative, elle favorise de plus en plus la pénétration de la ZCE dans la couche active en rétrécissant le canal. Ce rétrécissement va par la suite limiter la circulation des électrons entre la source et le drain, donc limité le courant.
 De plus en plus que VGS devient négative (VGS ≥ VP avec VP représente la tension de pincement du canal), un phénomène de pincement du canal se produira du côté du drain (voir figure 2.4). Ce pincement a pour effet d’annuler le courant (IDS =0).
o Pour VGS constant
 L’augmentation de VDS entrainera une augmentation dans la quantité des électrons circulant dans le canal donc augmentation du courant IDS.
 Lorsque VDS atteint une valeur dite de saturation VDSSat, le courant ne va plus augmenter et donc le transistor sera saturé. VDSSat est équivalente à une largeur « w », de la ZCE, égale à l’épaisseur « x » de la couche épitaxiale. Elle se traduit par : [Man05] : c’est la tension de built-in, c’est une tension résultante de la barrière Schottky (voir figure 2.5).

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1
1. Introduction
2. Historique sur le Carbure de Silicium
3. Propriété du Carbure de Silicium
3.1. Propriétés cristallographiques
3.1.2. Liaison Si-C
3.1.2. Notion de Polytypisme
3.1.3 Facteurs de Mérite …
3.2. Structure de bande et zone de Brillouin
4. La fabrication du Carbure de Silicium
Références
CHAPITRE 2
1. Introduction
2. Mode de fonctionnement
2.1. Structure
2.2. Principe
2.3. Régimes de fonctionnement et caractéristiques
3. Les MESFETs en Carbure de Silicium
3.1. Description
3.2. Structure et caractéristiques
4. Le transport électronique dans le SiC-MESFET
Références
CHAPITRE 3
1. Introduction
2. Transport de charge dans les semiconducteurs
2.1. Fonction de Bloch
2.2. Modèle de bandes paraboliques
2.3. Modèle de bandes non-paraboliques
2.4. L’équation de Boltzmann
2.4.1. Modèle mathématique
2.4.2. La mobilité et l’équation de Boltzmann
3. Transport de charges dans les dispositifs semiconducteurs
Références
CHAPITRE 4
1. Introduction
2. Description de la méthode de Monte Carlo
3. Démarches d’implémentation de la méthode
3.1. Création du vol libre
3.2. Technique Self Scattering
3.3. Sélection des interactions et calcul de l’angle de déviation
3.4. Formulation des interactions
4. Applications : Simulation du transport électronique dans les substrats semiconducteurs
4.1. Exemple de simulation du Transport électronique dans le GaSb : Régime stationnaire et non-stationnaire
4.1.1. Vitesse de dérive
4.1.2. Distribution de l’énergie et du potentiel électrostatique
4.1.3. Transport en régime non-stationnaire
4.2. Transport électronique dans le Carbure de silicium
4.2.1. Fonction de distribution des électrons
4.2.2. Distribution de l’énergie moyenne
4.2.3. Vitesse de dérive
4.2.4. Transport électronique transitoire sous l’effet de forts champs électriques
4.2.5. Effet de la température sur les caractéristiques de transport
Références
CHAPITRE 5
1. Introduction
2. Effet de la miniaturisation sur la simulation des dispositifs
3. Equations de transport pour la simulation du Transistor MESFET
4. Démarches de Simulation du Transistor MESFET par la méthode de Monte Carlo
4.1. Condition aux limites
4.2. Maillage des particules et calcul du potentiel
5. Présentation du simulator Monte Carlo
5.1. Description
5.2. Organigramme de simulation
6. Applications : Simulation du MESFET submicronique
6.1. Exemple d’un MESFET à base de matériaux III-V
6.1.1. MESFET en GaSb
6.1.2. MESFET à base du Al0.23In0.78Sb
6.2. Simulation du MESFET latéral à base du 4H-SiC
6.2.1. Effet de la température sur les caractéristiques de transport électronique du 4H-SiC-MESFET
6.2.2. Caractéristique I(V)
Références
CONCLUSION GENERALE & PERSPECTIVES
ANNEXE.
PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES