QCM : Transistors à effet de champ (47 questions)

Explication

Lilienfeld a breveté en 1925 un « mécanisme de commande du courant électrique », qui énonçait le principe du transistor à effet de champ. L’attribution à Heil confond les deux propositions historiques, le JFET date de 1953 et le transistor à pointe de 1947.

Explication

Dacey et Ross ont mis au point le JFET en 1953. Le MOSFET est associé à Atalla et Kahng en 1960, le transistor à pointe à l’équipe de Shockley en 1947, et le brevet de Lilienfeld remonte à 1925.

Explication

Un NPN comprend trois parties de silicium dopées, avec une base très mince et un émetteur fortement dopé en électrons, noté N++. Un émetteur fin ou de type P inverse ces caractéristiques, tandis que la structure comporte bien trois régions.

Explication

La base-émetteur en direct injecte des électrons, et la base mince en laisse passer la majorité vers la jonction base-collecteur en inverse, où ils sont collectés. La recombinaison dans la base ne concerne qu’une petite fraction, et les polarisations indiquées ne sont pas inversées.

Explication

Le transistor bipolaire commande le courant collecteur par le courant de base, tandis que le transistor à effet de champ commande le courant de drain par la tension grille-source. Les réponses fondées sur une commande du bipolaire par tension ou du transistor à effet de champ par courant mélangent ces modes de commande.

Explication

Dans un JFET, la jonction PN de grille agit sur le canal semi-conducteur, et sa tension grille-source commande le courant de drain. Le « courant grille-source » confond commande en tension et commande en courant, la « tension drain-source » attribue le contrôle à une autre tension, et la « jonction isolée par oxyde » décrit plutôt la grille d’un MOSFET.

Explication

La jonction PN de grille doit être polarisée en inverse, ce qui impose une tension $V_{GS}$ négative dans le fonctionnement décrit. La « polarisation en direct » inverse le sens requis, une tension $V_{GS}$ positive ne respecte pas cette condition, et une tension drain-source négative confond la polarisation de grille avec celle du drain.

Explication

Une tension $V_{GS}$ plus négative élargit la zone de charge d’espace et pince le canal; lorsque $V_{GS}$ passe sous $V_P$, le courant cesse. « Se rétrécit » inverse l’évolution de la zone, « courant augmente » contredit l’effet du pincement, et l’ouverture du canal ne correspond pas à son étranglement.

Explication

Un MOSFET à enrichissement possède une grille isolée par un oxyde et forme un canal induit lorsque la tension de grille dépasse le seuil nécessaire. Le MOSFET à appauvrissement dispose d’un canal implanté, le JFET utilise une jonction PN de grille, et le fonctionnement sous le seuil ne correspond pas à la formation du canal décrite.

Explication

Dans le MOSFET N à enrichissement, la tension positive repousse les trous et attire les électrons minoritaires, formant un canal induit de type N. « Attire les trous » et « canal de type P » inversent les effets ou le type du canal; l’amincissement d’un canal implanté correspond au fonctionnement du MOSFET à appauvrissement.

Explication

Le MOSFET N à appauvrissement possède un canal implanté dès la fabrication et peut donc conduire lorsque $V_{GS}=0\,\text{V}$. Le MOSFET à enrichissement nécessite un canal induit et est bloqué à tension de grille nulle; le JFET se distingue par une jonction PN de grille, non par une grille isolée à l’oxyde.

Explication

Une tension de grille négative repousse les électrons du canal N et réduit le courant jusqu’à son annulation au seuil $V_T$; une tension positive enrichit le canal en électrons et augmente le courant. L’option qui échange les effets inverse les polarités, celle qui annule le courant sous tension positive attribue le seuil au mauvais sens, et l’option qui exclut l’annulation omet le comportement au seuil.

Explication

Dans un JFET ou un MOSFET, la tension grille-source commande le courant de drain, tandis que le transistor bipolaire est commandé par le courant de base. Le courant de base confond les deux modes de commande, le courant de grille inverse entrée et sortie, et le courant de collecteur attribue au JFET une grandeur propre au bipolaire.

Explication

Le MOSFET est le composant de choix en microélectronique et sert notamment à réaliser des systèmes électroniques et des interrupteurs commandés en tension. Le JFET est plutôt associé aux amplificateurs à faible bruit, le bipolaire se commande par courant de base, et le transistor à effet tunnel n’est pas l’usage indiqué ici.

Explication

Une entreprise fabless conçoit ses circuits et délègue leur fabrication. Un IDM conçoit, fabrique et commercialise ses circuits, tandis qu’un fondeur fabrique des circuits pour des entreprises comme les fabless.

Explication

Un wafer est une tranche de silicium monocristallin découpée dans un cylindre obtenu après purification et fonte de la silice. Le lingot désigne le cylindre, la silice fondue précède la formation du silicium, et une puce gravée est un produit fabriqué sur le wafer.

Explication

La loi de Moore prévoit le doublement approximatif du nombre de transistors par unité de surface tous les 18 mois et a été proposée par Gordon Moore en 1965. La division par deux inverse l’évolution, le nombre total de puces ne correspond pas à la grandeur visée, et 1996 n’est pas l’année de la proposition.

Explication

ULSI couvre les puces comptant de 100 000 à 10 millions de transistors, ce qui comprend 500 000. GLSI commence à 100 millions, VLSI s’arrête à 100 000, et LSI correspond à une plage encore inférieure.

Explication

À partir de 250 nm de longueur de grille, le canal devient court et les zones de charge d’espace en occupent presque toute la longueur, ce qui complique le contrôle du courant de drain par la grille. Une amélioration du contrôle inverse l’effet, tandis que la fuite dans l’oxyde relève d’un autre problème.

Explication

À partir de 1996, la dimension équivalente de grille, qui peut différer de sa longueur physique, est désignée comme le nœud technologique ou nœud de gravure. La longueur physique est une autre mesure, tandis que FinFET désigne une structure et ULSI une catégorie d’intégration.

Explication

Le FinFET est une structure FET 3D dont la grille peut agir sur plusieurs faces du canal, améliorant ainsi son contrôle électrostatique. Une grille placée au-dessus du canal caractérise la commande planaire, tandis que l’oxyde à forte permittivité est associé aux structures 2.5D.

Explication

La grille du GAAFET englobe complètement le canal afin d’optimiser le contrôle du courant de drain. Le FinFET correspond à l’architecture précédente, 1988 est la date d’un prototype et le MOSFET est une autre famille de transistors.

Explication

Le GAAFET est destiné à assurer la continuité du FinFET pour les nœuds de 5 nm et 3 nm. Le MOSFET est une famille plus générale, tandis que le FinFET est le modèle auquel le GAAFET succède dans cette évolution.

Explication

La tension de pincement $V_P$ caractérise le JFET et correspond au seuil au-delà duquel les zones de charge d’espace empêchent le courant de circuler dans le canal. $V_T$ est associée au MOSFET, tandis que $V_{DS}$ et $V_{GS}$ désignent des tensions entre électrodes.

Explication

À faible $V_{DS}$, l’étranglement est quasi uniforme et le JFET présente un comportement résistif linéaire, ajustable par $V_{GS}$ : c’est la zone ohmique. Dans la zone de coude, l’étranglement devient non uniforme et le courant évolue de façon non linéaire.

Explication

Dans la zone de coude, l’augmentation de $V_{DS}$ rend l’étranglement non uniforme et dépendant de $V_{DS}$, ce qui entraîne une évolution non linéaire de $I_D$. La zone ohmique est linéaire, tandis que le plateau correspond à un courant presque constant.

Explication

Dans la zone de plateau, le pincement près du drain concentre la tension et le champ électrique ; la résistance accrue de la zone pincée maintient alors $I_D$ presque constant quand $V_{DS}$ augmente. L’étranglement uniforme décrit la zone ohmique, et une évolution non linéaire du courant caractérise la zone de coude.

Explication

Le courant de drain peut circuler lorsque $V_{GS}$ dépasse la tension de seuil $V_T$. La tension de pincement est associée au JFET, et la condition porte sur $V_{GS}$, non sur $V_{DS}$.

Explication

Dans la zone ohmique, une faible $V_{DS}$ maintient une répartition presque uniforme des charges le long du canal, ce qui donne une caractéristique linéaire. La concentration des charges et la stabilisation du courant relèvent du régime de saturation, tandis que le pincement n’implique pas ici une coupure.

Explication

$V_{DS}$ produit le champ qui transporte les charges entre source et drain, alors que $V_{GS}$ crée le champ de contrôle perpendiculaire qui ajuste la résistance du canal. Inverser ces rôles ou attribuer aux deux tensions le même rôle confond transport et commande.

Explication

Sous le seuil, le MOSFET à enrichissement bloque le courant et équivaut à un interrupteur ouvert. La conduction et l’équivalent d’un interrupteur fermé correspondent à une tension grille-source supérieure au seuil.

Explication

En commutation, la zone ohmique permet d’obtenir une faible résistance drain-source et de limiter l’échauffement. La zone bloquée correspond à l’interrupteur ouvert, tandis que la saturation ne donne pas le fonctionnement recherché pour un interrupteur fermé.

Explication

À l’ouverture, la variation brusque du courant fait évoluer le champ magnétique de l’inductance et produit une surtension susceptible de dépasser BVDSS, entraînant le claquage drain-source. L’inversion de la causalité, la baisse de tension et la confusion avec une charge résistive ne décrivent pas ce mécanisme.

Explication

La diode de roue libre, placée en parallèle avec la charge inductive, devient passante lors de la surtension et dissipe l’énergie libérée à la rupture du courant. La diode en série, la conduction permanente et l’action sur le courant de commande correspondent à d’autres fonctions.

Explication

En régime établi, la grille ne consomme pas de courant, mais sa capacité doit être chargée ou déchargée, ce qui provoque un courant transitoire. Le courant permanent confond ce phénomène transitoire avec le régime établi, et le courant de grille ne se confond pas avec celui du drain.

Explication

Le seuil Ez de la diode Zener doit être supérieur à la tension maximale de commande pour assurer la protection de la grille. Un seuil inférieur ou égal ne respecte pas ce critère, tandis que l’indépendance vis-à-vis de la commande n’est pas la règle donnée.

Explication

Avec une entrée à 0, le MOSFET canal N est bloqué et le canal P conduit, ce qui porte la sortie à 1. Les réponses associant l’entrée 0 à une sortie 0 inversent la fonction logique, tandis que celles qui inversent les états des canaux confondent leurs rôles.

Explication

Dans l’inverseur CMOS, la consommation se produit lors des commutations, alors que la logique NMOS consomme en permanence au point QH. Les autres réponses attribuent à CMOS la consommation continue, généralisent cette consommation aux deux technologies ou prêtent à NMOS la consommation de commutation.

Explication

Une source de courant idéale maintient un courant constant indépendamment de la tension à ses bornes. Une tension constante décrit plutôt une source de tension, tandis que les réponses proposant une variation du courant ou une puissance constante ne correspondent pas à cette définition.

Explication

À $V_{GS}=0\,\mathrm{V}$, le courant de drain du JFET vaut $I_{DSS}$, et le transistor doit fonctionner en zone de saturation pour servir de source de courant. La zone ohmique ne satisfait pas la règle de fonctionnement, et un courant nul ou déterminé par la tension de grille ne décrit pas cette polarisation.

Explication

La résistance interne vérifie $R_0=1/g_{os}$ ; ainsi, $1/(40\times10^{-6}\,\mathrm{S})=25\,000\,\Omega=25\,\mathrm{k}\Omega$. $40\,\mathrm{k}\Omega$ reprend la valeur numérique sans inversion, tandis que les autres valeurs traduisent une erreur d’inversion ou d’unité.

Explication

Au premier ordre, $i_d=g_m v_{gs}$, donc $4\,\text{mS}\times2\,\text{mV}=8\,\mu\text{A}$. La valeur $0{,}5\,\mu\text{A}$ inverse le rapport, $2\,\text{mA}$ oublie les préfixes milli, et le signe négatif emprunte une convention de gain qui ne figure pas dans cette relation.

Explication

La transconductance est la dérivée locale du courant de drain par rapport à la tension grille-source au point de polarisation. La dérivée drain-source correspond à une conductance de sortie, le rapport courant-tension n’est pas la définition, et la pente maximale ne décrit pas nécessairement le point considéré.

Explication

Le modèle complet additionne les contributions : $i_d=g_m v_{gs}+v_{ds}/r_{ds}$, soit $0{,}30+0{,}05=0{,}35\,\text{mA}$. La valeur $0{,}30\,\text{mA}$ néglige la contribution drain-source, tandis que $0{,}25\,\text{mA}$ la soustrait.

Explication

Pour amplifier, le JFET doit fonctionner en zone de saturation. La zone ohmique correspond à un autre régime de fonctionnement, et la coupure ou sa frontière ne constituent pas le régime d’amplification indiqué.

Explication

Par définition, $A_V=v_s/v_e$; ici $-1{,}0/0{,}20=-5$. Le résultat $-0{,}20$ inverse le rapport, $5$ ignore le signe de la variation de sortie, et $-1{,}20$ calcule une différence plutôt qu’un rapport.

Explication

La formule est $A_V=-g_mR_D/(1+g_mR_S)$. Ici $g_mR_D=6$ et $1+g_mR_S=3$, d’où $A_V=-2$ et une sortie en opposition de phase; $-6$ omet la dégénérescence de source, tandis que $2$ perd le signe indiquant l’opposition.