Fiche de révision : Transistors à effet de champ

📋 Plan du Cours

1. Origines du transistor à effet de champ
2. Fonctionnement du transistor bipolaire
3. Fonctionnement du JFET
4. Fonctionnement des MOSFET
5. Atouts et applications des FET
6. Industrie des semi-conducteurs
7. Intégration et loi de Moore
8. Évolution des technologies FET
9. Évolution vers le GAAFET
10. Caractéristiques du JFET canal N
11. Caractéristiques du MOSFET canal N
12. Commutation par MOSFET
13. Protection du transistor inductif
14. Protection et commande de grille
15. Logique CMOS et commande de LED
16. JFET en source de courant
17. Modèle petit signal du JFET
18. Amplification par JFET

📅 Repères chronologiques

1. 1947L’équipe de Shockley réalise le transistor à pointe après avoir échoué à construire un transistor à effet de champ.
2. 1953George Dacey et Ian Ross des laboratoires Bell mettent au point le transistor à effet de champ à jonction, ou JFET.
3. 1960Mohamed Atalla et Dawon Kahng inventent le MOSFET.
4. 1988Le premier prototype de GAAFET est réalisé.
5. 2011Intel commercialise les premiers microprocesseurs FinFET au nœud de gravure 22 nm.
6. 2017Le premier prototype de GAAFET réalisable en fonderie est développé.

📖 1. Origines du transistor à effet de champ

★ À maîtriser

• Le transistor à effet de champ repose sur une idée brevetée par Julius Edgar Lilienfeld en 1925 au Canada sous le nom « electric current control mechanism ».

Compléments

• En 1934, Oskar Heil propose un composant à semi-conducteur capable de contrôler le courant, mais qui ne peut pas être construit avec la technologie disponible.

💡 Astuce mémo

1925, brevet de Lilienfeld → 1947, transistor à pointe → 1953, premier JFET.

📖 2. Fonctionnement du transistor bipolaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Transistor bipolaire NPN : Formé de trois parties de silicium dopées et possède une base très fine ainsi qu’un émetteur fortement dopé en électrons, noté N++.

★ À maîtriser

• Dans un transistor NPN, la jonction base-émetteur est polarisée en direct et la jonction base-collecteur en inverse ; les électrons injectés par l’émetteur traversent majoritairement la base mince puis sont collectés par le collecteur.

📌 Le transistor bipolaire commande le courant collecteur IC au moyen d’un courant de base IB, tandis qu’un transistor à effet de champ commande le courant de drain au moyen d’une tension de grille-source VGS.

Compléments

• Une petite fraction des électrons injectés par l’émetteur se recombine dans la base et produit le faible courant de base IB.

• Dans le transistor bipolaire, le courant d’émetteur IE et le courant de collecteur IC ont des valeurs légèrement différentes.

💡 Astuce mémo

Imaginez une base très fine : la plupart des électrons la traversent et sont happés par le collecteur.

📖 3. Fonctionnement du JFET

🔑 Notions clés & Définitions

• JFET : Transistor à effet de champ formé d’un canal semi-conducteur et d’une jonction PN de grille qui contrôle le courant de drain ID par la tension VGS.

★ À maîtriser

📌 La jonction PN du JFET doit être polarisée en inverse, ce qui impose une tension VGS négative dans le fonctionnement décrit.

• Lorsque VGS devient plus négative, la zone de charge d’espace s’étend, le canal se pince et le courant cesse lorsque VGS passe sous la tension de pincement VP.

Compléments

• Dans un JFET à canal N, la grille est reliée à la zone dopée P qui forme l’engorgement autour du canal N.

• Lorsque VGS est nulle, la zone de charge d’espace est faible et le JFET laisse circuler son courant maximal.

💡 Astuce mémo

Grille plus négative : canal pincé ; VGS = 0 : courant maximal.

📖 4. Fonctionnement des MOSFET

🔑 Notions clés & Définitions

• MOSFET à enrichissement : Possède une grille isolée du corps par une couche d’oxyde de silicium et forme un canal induit lorsque la tension de grille dépasse le seuil nécessaire.

★ À maîtriser

• Dans un MOSFET N à enrichissement, une tension VGS positive repousse les trous du canal, attire les électrons minoritaires et crée un canal induit de type N entre drain et source.

• Dans un MOSFET N à appauvrissement, un canal N est implanté à la fabrication, ce qui permet au courant de circuler lorsque VGS = 0 V.

• Dans un MOSFET N à appauvrissement, une tension VGS négative repousse les électrons du canal et réduit le courant jusqu’à l’annuler au seuil VT, tandis qu’une tension VGS positive enrichit le canal en électrons et augmente le courant.

Compléments

• Dans un MOSFET N à enrichissement, le drain et la source sont des diffusions N++ dans un corps de type P, et le bulk est généralement connecté à la source.

• Dans un MOSFET à enrichissement, le courant ne circule pas entre drain et source lorsque VGS = 0 V.

• Les MOSFET peuvent être réalisés à canal P en inversant les types de dopage du bulk et des diffusions.

💡 Astuce mémo

Enrichissement : bloqué à VGS = 0 ; appauvrissement : passant à VGS = 0.

📖 5. Atouts et applications des FET

★ À maîtriser

📌 Un JFET ou un MOSFET commande un courant de drain ID par une tension VGS, tandis qu’un transistor bipolaire commande un courant de collecteur IC par un courant de base IB.

• Le MOSFET est le composant de choix en microélectronique et sert notamment à réaliser des systèmes électroniques et des interrupteurs commandés en tension.

Compléments

• La capacité de grille-source CGS de certains MOSFET peut dépasser 1 nF et nécessiter un courant transitoire de charge ou de décharge fourni par un driver.

• Le JFET est utilisé dans des amplificateurs de tension à faible bruit et faible capacité d’entrée, notamment à l’entrée d’AOP de qualité et dans des systèmes audio ou RF.

• La longueur de grille L des MOSFET TSMC mentionnés peut atteindre 18 nm, tandis que la technologie commerciale « 5 nm » ou N5 ne désigne pas la longueur réelle de grille.

• La technologie « 7 nm » ou N7 possède une longueur de grille L de 20 nm.

💡 Astuce mémo

FET : commande en tension ; bipolaire : commande en courant.

📖 6. Industrie des semi-conducteurs

★ À maîtriser

• Les acteurs du marché des semi-conducteurs sont : les IDM, qui conçoivent, fabriquent et commercialisent leurs circuits, les fabless, qui conçoivent et délèguent la fabrication, les fondeurs, qui fabriquent des circuits pour les fabless

Compléments

• ASML, entreprise néerlandaise fondée en 1984, développe des équipements de photolithographie utilisés dans les principaux pays producteurs, notamment les États-Unis, Taiwan et la Corée du Sud.

• Le diamètre des wafers est passé à 75 mm en 1972 puis à 300 mm en 2001, et 300 mm est actuellement le diamètre standard.

• Un wafer est une tranche de silicium monocristallin découpée dans un cylindre obtenu après purification et fonte de silice.

📖 7. Intégration et loi de Moore

🔑 Notions clés & Définitions

• Loi de Moore : Proposée par Gordon Moore en 1965, prévoit que le nombre de transistors par unité de surface double environ tous les 18 mois.

📝 Points essentiels

• Les catégories d’intégration et leurs nombres de transistors par puce sont :
  • SSI : moins de 100 transistors
  • MSI : de 100 à 1 000 transistors
  • LSI : de 1 000 à 10 000 transistors
  • VLSI : de 10 000 à 100 000 transistors
  • ULSI : de 100 000 à 10 millions de transistors
  • GLSI : de 100 millions à 1 milliard de transistors

📖 8. Évolution des technologies FET

★ À maîtriser

• À partir de 250 nm de longueur de grille, le canal devient court et les zones de charge d’espace occupent presque tout le canal, ce qui complique le contrôle du courant de drain par la grille.

• À partir de 1996, la dimension équivalente de grille, qui peut différer de la longueur physique, est désignée comme le nœud technologique ou nœud de gravure.

• Le FinFET, première structure FET 3D proposée sur le marché en 2010, permet à la grille d’agir sur plusieurs faces du canal.

Compléments

• En 2007, les fuites à travers l’oxyde de grille très mince conduisent à l’introduction de structures dites 2.5D utilisant des oxydes à forte permittivité.

• La technique 2.5D est utilisée jusqu’à des longueurs de grille de 28 nm, mais ne suffit plus en dessous de cette valeur pour maîtriser le courant de drain.

• TSMC propose le FinFET en technologie 7 nm en 2018, et cette structure reste le modèle de référence pour les nœuds 14, 10, 7 et 5 nm jusqu’en 2020.

• Au moment décrit par le cours, TSMC réalise des FinFET au nœud de gravure 3 nm et reste le seul fournisseur de ce type de transistor à ces niveaux technologiques.

💡 Astuce mémo

Canal court → contrôle de grille difficile → structures 2.5D puis 3D.

📖 9. Évolution vers le GAAFET

★ À maîtriser

• Le GAAFET, dont la grille englobe complètement le canal, est proposé en 2022 pour optimiser le contrôle du courant de drain.

• Le GAAFET assure la continuité du FinFET pour les nœuds de gravure de 5 et 3 nm.

Compléments

• Le GAAFET, plus complexe à réaliser que le FinFET, attend cinq ans après le prototype réalisable en fonderie avant sa mise sur le marché.

• TSMC souhaite proposer un GAAFET en technologie 2 nm.

📖 10. Caractéristiques du JFET canal N

🔑 Notions clés & Définitions

• Tension de pincement : La tension de pincement $V_P$ caractérise le JFET et correspond à la tension de grille au-delà de laquelle les zones de charge d’espace ne laissent plus passer de courant dans le canal.
• Caractéristique courant-tension : Une caractéristique courant-tension donne le courant en fonction de la tension, soit $I=f(U)$.

★ À maîtriser

• Dans la zone ohmique du JFET, une faible tension $V_{DS}$ produit un étranglement quasi uniforme du canal et un comportement résistif linéaire, ajustable par $V_{GS}$.

• Dans la zone de coude du JFET, l’augmentation de $V_{DS}$ rend l’étranglement du canal non uniforme et dépendant de $V_{DS}$, de sorte que $I_D$ évolue de manière non linéaire.

• Dans la zone de plateau du JFET, le pincement local près du drain concentre la tension et le champ électrique, tandis que l’augmentation de la résistance de la zone pincée maintient le courant de drain presque constant lorsque $V_{DS}$ augmente.

Compléments

• Le réseau de caractéristiques du JFET regroupe les courbes $I_D=f(V_{DS})$ correspondant aux valeurs de $V_{GS}$ comprises entre $V_P$ et 0 V.

📐 Formule - Dans le JFET, la tension de saturation vérifie $V_{DSsat}=V_{GS}-V_P$.

📐 Formule - En saturation, le courant de drain du JFET suit $I_D=I_{DSS}\left(1-\frac{V_{GS}}{V_P}\right)^2$.

• Les deux données fondamentales du JFET sont le courant de drain maximum $I_{DSS}$ et la tension de pincement $V_P$, souvent spécifiée par $V_{GSoff}$.

📐 Formule - La puissance dissipée par un transistor vérifie $P_D=V_{DS}I_D$.

• Pour le BF256 considéré, la tension $V_{DS}$ ne doit pas dépasser 30 V, le courant de drain ne doit pas dépasser 25 mA et la puissance dissipée ne doit pas dépasser 300 mW.

💡 Astuce mémo

Ohmique → coude → plateau : l’étranglement passe de régulier à localisé.

📖 11. Caractéristiques du MOSFET canal N

🔑 Notions clés & Définitions

• Tension de seuil : La tension de seuil $V_T$ est une caractéristique importante du MOSFET et doit être dépassée par $V_{GS}$ pour permettre la circulation du courant de drain.

★ À maîtriser

• Dans la zone ohmique du MOSFET, une faible tension $V_{DS}$ maintient une répartition presque uniforme des charges dans le canal et produit une caractéristique linéaire.

Compléments

📐 Formule - Pour le MOSFET en saturation, la tension de saturation vérifie $V_{DSsat}=V_{GS}-V_T$.

📐 Formule - En saturation, le courant de drain du MOSFET suit $I_D=K(V_{GS}-V_T)^2$, où $K$ est une constante.

• Pour le BS170, $V_{GS(th)}$ varie entre 0,8 V et 3 V, $I_{DSS}$ vaut 0,5 μA, le courant de fuite de grille $I_{GSSF}$ vaut 10 nA et $R_{DSon}$ atteint au maximum 5 Ω en zone ohmique.

• Le MOSFET IRF510 peut commuter un courant de drain d’environ 5 A, tandis que le BS170 peut en commuter au maximum environ 500 mA.

• Pour l’IRF510, la tension maximale $V_{DS}$ est de 100 V et $R_{DSon}$ vaut 0,54 Ω.

💡 Astuce mémo

Le JFET étrangle un canal existant ; le MOSFET induit son canal.

📖 12. Commutation par MOSFET

★ À maîtriser

📌 Dans un FET, $V_{DS}$ produit le champ électrique de transport des charges entre source et drain, tandis que $V_{GS}$ produit le champ de contrôle perpendiculaire qui ajuste la résistance du canal.

📌 Le JFET ajuste la résistance du canal par étranglement, tandis que le MOSFET agit par induction d’un canal.

• Dans un MOSFET à enrichissement utilisé en commutation, $V_{GS}<V_T$ bloque le courant et équivaut à un interrupteur ouvert, tandis que $V_{GS}>V_T$ permet la conduction et équivaut approximativement à un interrupteur fermé.

📌 En commutation, un MOSFET doit fonctionner en zone ohmique afin de présenter une faible résistance drain-source et de limiter son échauffement.

Compléments

📐 Formule - Dans la maille de sortie d’un MOSFET en commutation, la tension d’alimentation vérifie $E_D=V_{DS}+R_DI_D$.

• Dans l’exemple du moteur nominal de 13 V et 4 A avec l’IRF510, la chute de tension du transistor est de 2 V, l’alimentation doit donc fournir 15 V et la commande doit atteindre au moins 8 V.

• Dans le même exemple, le BUZ11 peut commuter 4 A avec une commande de 5 V en restant en zone ohmique, avec une chute de tension d’environ 0,2 V et une résistance $R_{DSon}$ d’environ 0,05 Ω.

📐 Formule - En zone ohmique, la relation du MOSFET est $V_{DS}=R_{DSon}I_D$.

• Lors de l’ouverture d’un MOSFET commandant un dipôle inductif, la variation rapide du courant fait évoluer le champ magnétique de l’enroulement et produit une surtension aux bornes du dipôle, susceptible de détruire le transistor.

💡 Astuce mémo

VGS commande : sous VT, interrupteur ouvert ; au-dessus de VT, interrupteur fermé en zone ohmique.

📖 13. Protection du transistor inductif

📝 Points essentiels

• À l’ouverture d’un transistor commandant une charge inductive, la variation brusque du courant entraîne une variation du champ magnétique, puis une surtension qui peut dépasser BVDSS et provoquer le claquage drain-source.

• La diode de roue libre, montée en parallèle avec la bobine ou le moteur, devient passante lors de la surtension et dissipe l’énergie libérée à la rupture du courant inductif.

💡 Astuce mémo

Rupture du courant inductif → surtension drain-source → diode de roue libre conductrice

📖 14. Protection et commande de grille

★ À maîtriser

• En régime établi, la grille d’un MOSFET ne consomme pas de courant, mais sa capacité doit être chargée ou déchargée, ce qui produit un courant transitoire parfois important.

Compléments

📌 La grille d’un MOSFET ne doit pas rester en l’air, car des tensions parasites induites peuvent entraîner un comportement inattendu.

• Une résistance de 10 kΩ entre la grille et la masse évacue l’énergie des champs électrostatiques et protège le MOSFET.

📌 Une diode Zener peut protéger la grille si sa tension de seuil Ez est supérieure à la tension maximale de commande.

📐 Formule - Pour une charge initiale de la grille, le courant transitoire initial vaut $I_G(0)=\frac{E_G}{R_{GC}}$ et s’annule au bout d’environ $5R_{GC}C_{GS}$.

📐 Formule - Lors de la décharge, le courant initial, de sens inverse, vaut $I_G(0')=\frac{V_{GS}}{R_{GD}}$ et s’annule au bout d’environ $5R_{GD}C_{GS}$.

📖 15. Logique CMOS et commande de LED

★ À maîtriser

📌 Dans un inverseur CMOS, une entrée logique 0 bloque le MOSFET canal N et rend le canal P passant, donnant une sortie 1 ; une entrée logique 1 bloque le canal P et rend le canal N passant, donnant une sortie 0.

• Un inverseur CMOS ne consomme du courant que lors des commutations, tandis que la logique NMOS consomme en permanence au point QH.

Compléments

• Pour commander une LED nécessitant 3,3 V et 20 mA avec un signal FPGA de 5 V et une alimentation de 15 V, le cours retient un MOSFET BSS138 et une résistance série normalisée de 560 Ω.

• Le BSS138 étudié présente une résistance RDSon d’environ 6 Ω, un courant de drain maximal de 200 mA et une tension de seuil maximale de 1,5 V.

💡 Astuce mémo

CMOS : un transistor passant à l’état stable ; NMOS : consommation permanente au point QH

📖 16. JFET en source de courant

🔑 Notions clés & Définitions

• Source de courant idéale : Maintient un courant constant quelle que soit la tension à ses bornes.

★ À maîtriser

• Un JFET se comporte comme une source de courant dans sa zone de saturation.

📌 Pour polariser une LED par JFET, on peut fixer VGS à 0 V, auquel cas le courant de drain vaut IDSS ; le JFET doit obligatoirement fonctionner en zone de saturation.

Compléments

• Pour une LED nécessitant 10 mA, l’exemple choisit un BF245B dont IDSS vaut 15 mA selon le constructeur.

📐 Formule - La résistance interne de la source de courant est l’inverse de la conductance de sortie : $R_0=\frac{1}{g_{os}}$ ; pour $g_{os}=40\,\mu\mathrm{S}$, elle vaut 25 kΩ.

📐 Formule - La tension de saturation du JFET vaut $V_{DSsat}=V_{GS}-V_P$ ; avec VGS égal à 0 V et une tension de pincement typique de −2 V, elle vaut 2 V.

📖 17. Modèle petit signal du JFET

🔑 Notions clés & Définitions

• Transconductance : La transconductance du JFET est la dérivée du courant de drain par rapport à la tension grille-source au point de polarisation, et s’écrit $g_m=\frac{2I_{DSS}}{-V_P}\left(1-\frac{V_{GSQ}}{V_P}\right)$.

★ À maîtriser

📐 Formule - Au premier ordre autour du point de polarisation, une petite variation de grille produit une variation de courant de drain selon $i_d=g_m v_{gs}$.

📐 Formule - La variation du courant de drain tient compte des variations de grille et de drain selon $i_d=g_m v_{gs}+\frac{v_{ds}}{r_{ds}}$.

Compléments

📐 Formule - La transconductance maximale, obtenue pour VGSQ égal à 0 V et IDQ égal à IDSS, vaut $g_{m\max}=\frac{2I_{DSS}}{-V_P}$.

• Dans le modèle petit signal du JFET, le courant d’entrée est nul car la jonction PN grille-source est polarisée en inverse, ce qui équivaut à un circuit ouvert en entrée.

📖 18. Amplification par JFET

🔑 Notions clés & Définitions

• Gain en tension : Le gain en tension est le rapport entre la variation de la tension de sortie et celle de la tension d’entrée : $A_V=\frac{v_s}{v_e}$.

★ À maîtriser

📌 Un JFET utilisé comme amplificateur doit fonctionner en zone de saturation.

📐 Formule - Avec une résistance de source non découplée, le gain en tension vaut $A_V=-\frac{g_mR_D}{1+g_mR_S}$ et la sortie est en opposition de phase avec l’entrée.

Compléments

• La polarisation automatique d’un JFET utilise une résistance RG entre grille et masse, généralement comprise entre 100 kΩ et 10 MΩ, et la tension grille-source au repos vérifie $V_{GSQ}=-I_{DQ}R_S$.

📌 Pour obtenir une excursion maximale sans écrêtage, le point de polarisation de sortie est choisi approximativement à mi-chemin entre la zone ohmique et l’alimentation, soit $V_{DSQ}\approx\frac{V_{CC}}{2}$.

📐 Formule - Lorsque la résistance de source est court-circuitée pour les variations par un condensateur de découplage, le gain devient $A_V=-g_mR_D$.

• Un signal d’entrée trop grand peut faire entrer le JFET dans la zone de blocage ou la zone ohmique, écrêter la sortie et produire une distorsion harmonique.

📊 Tableaux de synthèse

Commande des FET canal N et canal P