Quels sont les différents types de FET ?

Les transistors à effet de champ (FET) sont aujourd'hui les chevaux de bataille de la logique numérique, mais ils bénéficient de nombreuses applications en dehors des circuits intégrés numériques, allant des pilotes de moteur aux régulateurs de tension et aux amplificateurs spécialisés, différents types de FET peuvent être utilisés, et il existe quelques avantages utiles qui rendent les FET discrets plus désirables par rapport à leurs cousins, les transistors à jonction bipolaire (BJT).

Bien que les composants et applications avancés se concentrent continuellement sur la modification fondamentale et l'optimisation de l'architecture des FET, les BJT et FET discrets sont là pour rester. Chacun des différents types de FET a sa place dans différents systèmes, et les concepteurs peuvent trouver les FET exacts dont ils ont besoin avec le meilleur ensemble d'outils de chaîne d'approvisionnement. Si vous n'êtes pas sûr du type de FET à utiliser, lisez notre guide pour en savoir plus sur les différents FET et les spécifications les plus importantes.

Types de FET et leurs applications

Les transistors à effet de champ, ou simplement FET, forment la base des circuits intégrés numériques modernes. Tout comme les BJT antérieurs, les FET sont des commutateurs à trois bornes (quatre si vous incluez la borne de corps dans un MOSFET), où une tension est appliquée à la grille pour contrôler le courant circulant entre la source et le drain. Une fois la tension appliquée à la région de la grille, la résistance du canal change d'état en fonction de la tension d'entrée. Ce sont les bases très élémentaires des différents types de FET.

Les FET sont subdivisés en trois types différents : les FET à grille isolée (mieux connus sous le nom de MOSFET), les FET à jonction (JFET) et les FET métal-semiconducteur (MESFET). Le diagramme ci-dessous résume brièvement ces trois types de FET et leurs sous-types. Parmi les différents types de MOSFET, le choix des FET de type à enrichissement ou de type à appauvrissement donne aux concepteurs une certaine flexibilité quant à la manière dont ils mettent en œuvre la commutation dans leurs systèmes (par exemple, dans les régulateurs de puissance).

Avec autant de types de FET différents parmi lesquels choisir, lequel est le meilleur et comment se comparent-ils aux BJT ? Creusons un peu plus pour voir quels types de FET importent pour différentes applications.

Applications des MESFET

Les MESFET sont souvent utilisés comme pilotes ou commutateurs dans les applications RF nécessitant une sortie de puissance élevée. Les composants MESFET commerciaux sont disponibles dans une gamme de boîtiers ; les composants emballés SO/SOIC/SOP sont disponibles avec une bande passante atteignant ~8 GHz, tandis que des fréquences élevées atteignant ~30 GHz peuvent être accessibles dans des boîtiers QFN. Les MESFET à haute fréquence sont normalement fabriqués à partir de SiGe (pour une sortie de puissance modérément faible) ou de GaAs (pour une sortie de puissance élevée), et vous trouverez ces structures intégrées dans des SoC à haute fréquence.

Applications des MOSFET

Parmi les différents types de FET, les MOSFET bénéficient probablement de la gamme d'applications pratiques la plus large. Ces composants trouvent leur place dans de nombreuses applications d'électronique de puissance car ils peuvent gérer des puissances de commutation atteignant des niveaux de kW. Et bien sûr, quiconque est familier avec les circuits logiques CMOS modernes devrait savoir que les MOSFET forment la base des dispositifs CMOS.

Si vous avez besoin de choisir un MOSFET discret pour une application de commutation, alors la manière dont le dispositif est commuté est assez importante car vous devrez sélectionner la bonne polarité de tension appliquée à la région de la grille. Le type d'amélioration NMOS est souvent utilisé comme élément de commutation dans des applications telles que la régulation et le conditionnement de puissance à haute tension/courant ; je trouve que cela rend la mise à la terre et l'agencement plus faciles car vous n'avez besoin de fournir que des tensions positives autour d'un circuit.

Applications des JFET

Les JFET existent également en variétés à canal n et p, où le canal n est normalement utilisé car les électrons ont une mobilité plus grande que les trous. Les JFET ont également une région de claquage lorsque la tension drain-source est suffisamment élevée (analogue au claquage de la diode pn). Comparés aux MOSFET, les JFET ont les caractéristiques suivantes :

• Mode de déplétion uniquement

• Drift de fréquence plus faible

• Impédance d'entrée plus faible

• Une haute résistance de drain donne des courbes de transfert plus plates

• Capacité d'entrée plus élevée

Leur drift de fréquence plus faible les rend plus désirables dans les oscillateurs ou les circuits de temporisation de précision. La capacité d'entrée plus élevée entraîne des temps de mise en marche légèrement plus longs lorsqu'ils sont utilisés comme interrupteurs. Bien qu'ils puissent être utiles pour les oscillateurs, lorsqu'ils sont utilisés dans des amplificateurs, ils ont tendance à avoir un produit gain-bande passante relativement faible par rapport aux MOSFET et bien inférieur à celui des MESFET comparables.

Applications des HEMT

Les transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) se réfèrent à quelque chose de plus proche des matériaux utilisés dans les FET, plutôt qu'à une structure totalement différente ou à un type de circuit. Les HEMT peuvent être utilisés dans des dispositifs RF qui doivent fournir de la puissance à haute fréquence, ou qui commutent à des vitesses de transition rapides. Les matériaux typiquement utilisés dans ces dispositifs sont le GaAs et le GaN, tous deux utilisés dans des composants disponibles dans le commerce. Ces dispositifs sont conçus pour fournir une sortie de puissance élevée à des fréquences atteignant la gamme des ondes millimétriques. D'autres matériaux III-V comme l'InP ont été recherchés pour une utilisation dans les HEMT. Cependant, ces matériaux ne sont pas encore produisibles à l'échelle dans les processus de composants standards.

Comme les applications HEMT se chevauchent avec les MESFET, il est juste de se demander quelle est la différence entre ces matériaux. La différence apparaît dans la couche épitaxiale du transistor. Les HEMT sont des dispositifs hétérostructures qui utilisent des couches de matériaux empilées compositionnellement différentes avec une mobilité d'électrons plus élevée que le matériel en vrac dans le dispositif. Dans les HEMT GaAs, le matériel communément utilisé dans la couche épitaxiale est l'AlGaAs non stœchiométrique. Nous ne voyons pas ces mêmes structures ou matériaux dans les MESFET.

Une approche similaire avec une couche non stœchiométrique est utilisée dans les HEMTs GaN, où la couche épitaxiale est AlGaN. Un exemple de structure HEMT sur un substrat SiC est montré ci-dessous. Dans cette structure, la couche AlGaN peut être une structure multicouche dopée, et le canal de conduction sera formé dans cette partie du dispositif.

La haute mobilité des électrons dans le canal conducteur fournit une livraison de puissance beaucoup plus efficace à des fréquences GHz élevées. Ces systèmes offrent une meilleure gestion de la puissance, des fréquences plus élevées et une plus grande dissipation de chaleur (particulièrement avec le SiC) par rapport aux MOSFETs de Si échelonnés fonctionnant dans les bandes mmWave. Pour ces raisons, les HEMTs GaN ont également été utilisés dans l'électronique de puissance comme un remplacement hautement conducteur thermique pour les MOSFETs Si.

Spécifications importantes pour les FETs

Aussi tentant que ce soit de lister chaque spécification trouvée sur une fiche technique, toutes les spécifications ne sont pas pertinentes pour chaque application. Il y en a quelques-unes qui sont universelles pour presque toutes les applications :

• Résistance à l'état passant : C'est l'une des spécifications les plus importantes car elle détermine l'efficacité d'un FET dans la livraison de puissance et la commutation.

• Courant de fuite : Même à l'état éteint, il y a une petite quantité de courant qui circule entre la source et le drain, entraînant une certaine perte de puissance à l'état OFF.

• Capacités des terminaux : Ces valeurs de capacités limiteront le temps de commutation dans le dispositif. Cela n'est normalement pas important à moins que vous ne conceviez un produit analogique haute fréquence.

• Température maximale absolue : Les FETs échoueront si la température du canal atteint sa valeur nominale maximale. Il y a normalement un petit facteur de sécurité ici, mais ces composants doivent être sélectionnés en tenant compte de l'environnement où ils seront déployés.

• Évaluation de la tension/du courant : Cette paire de valeurs est spécifiée pour une méthode de conduite particulière (DC, pulsée ou harmonique) et déterminera la zone de fonctionnement sûre d'un FET. Une fois ces spécifications dépassées pour un FET particulier, le dispositif pourrait subir une défaillance et échouer.

Le dernier point est important car il se rapporte à la zone de fonctionnement sûre d'un FET. Tous les FETs ont une combinaison de tension source-drain (V(DS)) et de courant de drain (I(D)) à l'intérieur de laquelle un FET peut être exploité sans échouer. Cette combinaison de tensions, de courants et de méthodes de conduite forme la zone de fonctionnement sûre pour un MOSFET, qui peut être tracée sur un graphique.

Un exemple de la zone de fonctionnement sûre d'un MOSFET (FDD7N25LZTM de ON Semiconductor) est montré ci-dessous. Dans ce graphique, la conduite DC est comparée à la conduite AC dans différentes conditions (dans ce cas, la conduite pulsée). Pour la conduite DC, la limite de la zone de fonctionnement sûre sera plus proche de l'origine par rapport à la conduite avec des impulsions plus courtes. La raison pour laquelle la zone de fonctionnement sûre s'élargit lorsque la durée de l'impulsion est plus courte est parce que le courant moyen sera plus faible, en supposant la même fréquence de répétition des impulsions.

En total, il y a trois facteurs principaux qui déterminent la zone de fonctionnement sécuritaire d'un FET :

• Température en régime permanent de la jonction

• Résistance à l'état passant

• Méthode de pilotage (DC, AC, etc.)

En général, tout pilotage en AC qui correspond au courant moyen d'un pilote en DC aura une zone de fonctionnement sécuritaire similaire. Lorsque le courant moyen en pilotage AC diminue, la zone de fonctionnement sécuritaire s'élargit. Cela peut être utilisé comme une métrique simple pour sélectionner un MOSFET pour une utilisation dans des applications de livraison de puissance : il suffit de comparer le courant moyen sous pilotage AC avec le courant de pilotage DC sous des paramètres de fonctionnement similaires (V(DS) et I(D)) pour déterminer si le MOSFET sera fiable sous pilotage AC.

L'autre facteur qui est plus difficile à adresser est la température du MOSFET, spécifiquement la température de la jonction. Si la température de la jonction est trop élevée, alors le MOSFET risque de défaillir. Pour une comparaison précise avec la zone de fonctionnement sécuritaire, il est nécessaire de déterminer la perte de puissance à l'état passant et d'utiliser la résistance thermique du composant pour prédire la température d'équilibre. En général, une température de jonction plus élevée conduit à des zones de fonctionnement sécuritaires plus petites.

Peu importe le type de FETs dont vous avez besoin pour votre nouveau produit, vous pouvez utiliser les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart pour trouver les pièces dont vous avez besoin. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données des distributeurs et aux spécifications des pièces, le tout accessible librement dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page sur les circuits intégrés linéaires pour trouver les composants dont vous avez besoin.

Restez à jour avec nos derniers articles en vous inscrivant à notre newsletter.