MICROÉLECTRONIQUE

Le transistor à effet de champ :un composant à la physique « classique »

Le courant traversant un transistor à effet de champ est dû à un grand nombre d'électrons qui suivent des trajectoires aléatoires et moyennées. Plus précisément, les transistors produits au début de ce xxi^e siècle possèdent une grille de l'ordre de 0,13 μm de longueur et de 5 μm de largeur. Le nombre d'électrons assurant la conduction sous la grille est de l'ordre de 3 000. Soumis à un champ électrique dû à la tension entre électrodes de source et drain, chaque électron est accéléré. Il est cependant freiné par les chocs sur des espèces chimiques étrangères au cristal de silicium (les dopants) ou sur des atomes de silicium déplacés de leur position d'équilibre par l'agitation thermique. De ce fait, au lieu d'être uniformément accélérés, les électrons atteignent une vitesse limite. La distance entre les chocs est de l'ordre de quelques nanomètres à température ambiante, ce qui implique au moins 3 000 chocs durant le trajet source-drain. Le mouvement dû à ces chocs est aléatoire et ce n'est que la résultante du mouvement sur un grand nombre de chocs qui a lieu dans la direction de la force due au champ électrique, et à vitesse constante. Le courant passant à travers le transistor est donc la résultante du mouvement d'un grand nombre d'électrons effectuant chacun des trajectoires aléatoires, toutes différentes les unes des autres. Le transistor obéit donc à une physique classique : la nature corpusculaire des électrons est masquée par leur grand nombre et la phase de leur fonction d'onde varie lors de chaque choc.

Le régime mésoscopique : une transition entre le comportement classique, aléatoire, et le comportement microscopique, déterministe

Lorsque la taille des transistors est réduite, en utilisant des techniques de fabrication à l'échelle nanométrique, un comportement reproductible des trajectoires d'électrons, effectuant tous un même trajet, apparaît. C'est ce que l'on a appelé le régime mésoscopique (c'est-à-dire plus tout à fait macroscopique, où les effets sont moyennés sur un grand nombre de particules et d'événements, et pas encore complètement déterministe, microscopique ou quantique). Les effets mésoscopiques proviennent alors de ce que les électrons suivent tous une même trajectoire déterministe dans une configuration spatiale fixe, même si cette dernière, déterminée par la position d'impuretés, échappe à tout contrôle. Les composants dans lesquels les électrons ont une telle propriété montrent alors des fluctuations de conductivité dues aux phénomènes d'interférences de leur onde associée entre les différentes trajectoires des électrons soumis aux chocs sur les impuretés (fig. 14). Chaque électron subit les mêmes interférences dès lors que les dimensions deviennent suffisamment petites pour qu'il n'y ait qu'un nombre faible de chocs (s'il y en a trop, les interférences se moyennent). Comme ces interférences changent fortement sous l'action de champs électriques extrêmement faibles (parce que la longueur d'onde des électrons varie), on observe des fluctuations de conductivité dites géantes. Ce régime de transport du courant électrique est détestable du point de vue des composants puisqu'il entraîne des fluctuations incontrôlables au sein d'un composant et, surtout, entre composants, puisque les positions des impuretés n'étant pas contrôlées, les interférences vont apparaître à des champs électriques différents d'un composant à l'autre.

Heureusement, ce comportement cesse à des dimensions inférieures, pour entrer dans un régime complètement déterministe, c'est-à-dire[...]