Transistor à effet de champ à jonction

Le transistor à effet de champ de jonction est un dispositif unipolaire dans lequel le flux de courant entre ses deux électrodes est contrôlé par l’action d’un champ électrique à une jonction pn inversement polarisée.

Dans les tutoriels sur le transistor bipolaire, nous avons vu que le courant de collecteur de sortie du transistor est proportionnel au courant d’entrée circulant dans la borne de base du dispositif. Cela fait du transistor bipolaire un dispositif “opéré par le COURANT” (modèle Beta), car un plus petit courant peut être utilisé pour commuter un courant de charge plus important.

Le transistor à effet de champ, ou simplement FET, utilise cependant la tension qui est appliquée à son terminal d’entrée, appelé Gate, pour contrôler le courant circulant à travers lui, ce qui fait que le courant de sortie est proportionnel à la tension d’entrée. Puisque leur fonctionnement dépend d’un champ électrique (d’où le nom d’effet de champ) généré par la tension d’entrée Gate, cela fait du transistor à effet de champ un dispositif “opéré par la TENSION”.

Transistor à effet de champ typique

Le transistor à effet de champ est un dispositif semi-conducteur unipolaire à trois terminaux qui possède des caractéristiques très similaires à celles de ses homologues transistor bipolaire.

Par exemple, il présente une grande efficacité, un fonctionnement instantané, une robustesse et un coût réduit, et peut être utilisé dans la plupart des applications de circuits électroniques pour remplacer leurs équivalents en transistors à jonction bipolaire (BJT).

Les transistors à effet de champ peuvent être fabriqués beaucoup plus petits qu’un transistor BJT équivalent, et leur faible consommation d’énergie et leur faible dissipation de puissance les rendent idéaux pour une utilisation dans des circuits intégrés tels que la gamme CMOS de puces logiques numériques.

Nous nous souvenons des tutoriels précédents qu’il existe deux types de construction de transistor bipolaire, NPN et PNP, qui décrivent essentiellement l’arrangement physique des matériaux semi-conducteurs de type P et N dont ils sont faits. Cela est également vrai pour les FET, car il existe également deux classifications de base des transistors à effet de champ, appelés JFET à canal N et JFET à canal P.

Le transistor à effet de champ est un dispositif à trois terminaux qui est construit sans jonctions PN dans le chemin principal de transport de courant entre les terminaux Drain et Source. Ces terminaux correspondent en fonction au collecteur et à l’émetteur respectivement du transistor bipolaire. Le chemin de courant entre ces deux terminaux est appelé “canal”, qui peut être constitué d’un matériau semi-conducteur de type P ou N.

Le contrôle du courant circulant dans ce canal est obtenu en faisant varier la tension appliquée à la Gate. Comme le dit leur nom, les transistors bipolaires sont des dispositifs “bipolaires” parce qu’ils fonctionnent avec les deux types de porteurs de charge, les trous et les électrons.

Le transistor à effet de champ, en revanche, est un dispositif “unipolaire” qui dépend uniquement de la conduction d’électrons (canal N) ou de trous (canal P).

Le transistor à effet de champ a un avantage majeur sur ses homologues en transistors bipolaires standard, en ce sens que leur impédance d’entrée ( Rin ) est très élevée (des milliers d’Ohms), tandis que le BJT est relativement faible. Cette très haute impédance d’entrée les rend très sensibles aux signaux de tension d’entrée, mais le prix de cette haute sensibilité signifie également qu’ils peuvent être facilement endommagés par l’électricité statique.

Il existe deux types principaux de transistor à effet de champ, le transistor à effet de champ de jonction ou JFET, et le transistor à effet de champ à porte isolée ou IGFET, qui est plus communément connu sous le nom de transistor à effet de champ à oxyde métallique ou MOSFET.

Le transistor à effet de champ de jonction

Nous avons vu précédemment qu’un transistor à jonction bipolaire est construit en utilisant deux jonctions PN dans le chemin principal de transport de courant entre les terminaux de l’émetteur et du collecteur.

Le transistor à effet de champ de jonction (JUGFET ou JFET) n’a pas de jonctions PN, mais possède plutôt un morceau étroit de matériau semi-conducteur à haute résistivité formant un “canal” de silicium de type N ou P pour que les porteurs majoritaires circulent à travers avec deux connexions électriques ohmiques à chaque extrémité, communément appelées Drain et Source.

Il existe deux configurations de base du transistor à effet de champ de jonction, le JFET à canal N et le JFET à canal P. Le canal du JFET à canal N est dopé avec des impuretés donneuses, ce qui signifie que le flux de courant à travers le canal est négatif (d’où le terme canal N) sous forme d’électrons. De même, le canal du JFET à canal P est dopé avec des impuretés d’accepteur, ce qui signifie que le flux de courant à travers le canal est positif (d’où le terme canal P) sous forme de trous. Les JFET à canal N ont une conductivité de canal plus élevée (résistance plus faible) que leurs types à canal P équivalents, car les électrons ont une mobilité supérieure dans un conducteur par rapport aux trous. Cela rend les JFET à canal N des conducteurs plus efficaces par rapport à leurs homologues à canal P.

Nous avons précédemment dit qu’il existe deux connexions électriques ohmiques à chaque extrémité du canal appelées Drain et Source. Mais à l’intérieur de ce canal, il y a une troisième connexion électrique qui est appelée terminal Gate, et cela peut également être un matériau de type P ou N formant une jonction PN avec le canal principal.

La relation entre les connexions d’un transistor à effet de champ de jonction et d’un transistor à jonction bipolaire est comparée ci-dessous.

Comparaison des connexions entre un JFET et un BJT

Les symboles et la construction de base des deux configurations de JFET sont montrés ci-dessous.

Le canal semi-conducteur du transistor à effet de champ de jonction est un chemin de résistance à travers lequel une tension V_DS provoque un courant I_D à circuler et, par conséquent, le transistor à effet de champ de jonction peut conduire le courant dans les deux sens. Comme le canal est de nature résistive, un gradient de tension se forme donc le long du canal avec cette tension devenant moins positive à mesure que nous allons du terminal Drain au terminal Source.

Le résultat est que la jonction PN a donc une forte polarisation inverse au terminal Drain et une polarisation inverse plus faible au terminal Source. Cette polarisation cause la formation d’une “couche de déplétion” à l’intérieur du canal dont la largeur augmente avec la polarisation.

L’ampleur du courant circulant à travers le canal entre les terminaux Drain et Source est contrôlée par une tension appliquée au terminal Gate, qui est inversement polarisée. Dans un JFET à canal N, cette tension Gate est négative, tandis que pour un JFET à canal P, la tension Gate est positive.

La principale différence entre le JFET et un BJT est que lorsque la jonction JFET est inversement polarisée, le courant de Gate est pratiquement nul, tandis que le courant de base du BJT est toujours une valeur supérieure à zéro.

Polarisation d’un transistor à effet de champ de jonction à canal N

Le diagramme en coupe ci-dessus montre un canal semi-conducteur de type N avec une région de type P appelée Gate diffusée dans le canal de type N formant une jonction PN inversement polarisée, et c’est cette jonction qui forme la région de déplétion autour de la zone de Gate lorsque aucune tension extérieure n’est appliquée. Les JFET sont donc connus comme des dispositifs de mode de déplétion.

Cette région de déplétion produit un gradient de potentiel qui a une épaisseur variable autour de la jonction PN et restreint le flux de courant à travers le canal en réduisant sa largeur effective et ainsi augmentant la résistance globale du canal lui-même.

Nous pouvons alors voir que la partie la plus déplétée de la région de déplétion est entre la Gate et le Drain, tandis que la zone le moins déplétée se situe entre la Gate et la Source. Ainsi, le canal du JFET conduit avec une tension de polarisation nulle appliquée (c’est-à-dire que la région de déplétion a une largeur proche de zéro).

Sans tension externe de Gate ( V_G = 0), et une petite tension ( V_DS) appliquée entre le Drain et la Source, un courant de saturation maximum ( I_DSS) circulera à travers le canal du Drain à la Source, restreint uniquement par la petite région de déplétion autour des jonctions.

Si une petite tension négative ( -V_GS) est maintenant appliquée à la Gate, la taille de la région de déplétion commence à augmenter, réduisant ainsi la zone effective globale du canal et par conséquent réduisant le courant qui y circule, un sort d’effet de “compression” se produit. Ainsi, en appliquant une tension de polarisation inverse, la largeur de la région de déplétion augmente, ce qui réduit la conduction du canal.

Étant donné que la jonction PN est inversement polarisée, peu de courant circulera dans la connexion de Gate. À mesure que la tension Gate ( -V_GS) devient plus négative, la largeur du canal diminue jusqu’à ce qu’aucun courant ne circule entre le Drain et la Source, et on dit que le FET est “pinché” (similaire à la région de coupure pour un BJT). La tension à laquelle le canal se ferme est appelée la “tension de pinch-off” ( V_P).

Canal de transistor à effet de champ de jonction pincé

Dans cette région de pinch-off, la tension de Gate, V_GS contrôle le courant du canal, et V_DS n’a que peu ou pas d’effet.

Modèle JFET

Le résultat est que le FET agit davantage comme un résistance contrôlée par la tension qui a une résistance nulle lorsque V_GS = 0 et une résistance “ON” maximale ( R_DS) lorsque la tension de Gate est très négative. Dans des conditions normales de fonctionnement, la Gate du JFET est toujours polarisée négativement par rapport à la source.

Il est essentiel que la tension de Gate ne soit jamais positive, car si elle l’est, tout le courant du canal s’écoulera vers la Gate et non vers la Source, ce qui entraînera des dommages au JFET. Ensuite, pour fermer le canal :

• Pas de tension de Gate ( V_GS) et V_DS est augmenté à partir de zéro.
• Pas de V_DS et le contrôle de Gate est diminué négativement à partir de zéro.
• V_DS et V_GS variant.

Le P-channel transistor à effet de champ de jonction fonctionne exactement de la même manière que le canal N ci-dessus, avec les exceptions suivantes : 1). Le courant du canal est positif en raison des trous, 2). La polarité de la tension de polarisation doit être inversée.

Les caractéristiques de sortie d’un JFET à canal N avec la Gate court-circuitée à la source sont données comme suit :

Courbes caractéristiques de sortie V-I d’un JFET typique

La tension V_GS appliquée à la Gate contrôle le courant circulant entre les terminaux Drain et Source. V_GS fait référence à la tension appliquée entre la Gate et la Source, tandis que V_DS fait référence à la tension appliquée entre le Drain et la Source.

Étant donné qu’un transistor à effet de champ de jonction est un dispositif contrôlé par la tension, “AUCUN courant ne circule dans la gate !” donc le courant de source ( I_S) circulant hors du dispositif est égal au courant de Drain circulant dans celui-ci et donc ( I_D = I_S).

Les courbes caractéristiques de l’exemple ci-dessus montrent les quatre différentes régions de fonctionnement pour un JFET, qui sont données comme suit :

• Région ohmique – Lorsque V_GS = 0, la couche de déplétion du canal est très petite et le JFET agit comme une résistance contrôlée par la tension.
• Région de coupure – Cela est également connu comme étant la région de pinch-off où la tension de Gate, V_GS est suffisante pour provoquer que le JFET agisse comme un circuit ouvert, la résistance du canal étant à son maximum.
• Région de saturation ou active – Le JFET devient un bon conducteur et est contrôlé par la tension Gate-Source, ( V_GS ) tandis que la tension Drain-Source ( V_DS ) n’a que peu ou pas d’effet.
• Région de défaillance – La tension entre le Drain et la Source ( V_DS ) est suffisamment élevée pour provoquer la rupture du canal résistif du JFET et faire passer un courant maximum non contrôlé.

Les courbes caractéristiques d’un transistor à effet de champ de jonction à canal P sont les mêmes que celles ci-dessus, sauf que le courant de Drain I_D diminue avec une augmentation de la tension positive Gate-Source V_GS.

Le courant de Drain est nul lorsque V_GS = V_P. Pour un fonctionnement normal, V_GS est polarisée pour se situer quelque part entre V_P et 0. Ensuite, nous pouvons calculer le courant de Drain I_D pour tout point de polarisation donné dans la région de saturation ou active comme suit :

Courant de Drain dans la région active

Notez que la valeur du courant de Drain sera comprise entre zéro (pinch-off) et I_DSS (courant maximum). En connaissant le courant de Drain I_D et la tension Drain-Source V_DS, la résistance du canal ( R_DS) est donnée comme suit :

Résistance du canal Drain-Source

Où : g_m est le “gain de transconductance” puisque le JFET est un dispositif contrôlé par la tension et qui représente le taux de changement du courant de Drain par rapport au changement dans la tension Gate-Source.

Modes des FET

Comme le transistor à jonction bipolaire, le transistor à effet de champ, étant un dispositif à trois terminaux, est capable de trois modes de fonctionnement distincts et peut donc être connecté dans un circuit dans l’une des configurations suivantes.

Configuration de Source Commune (CS)

Dans la configuration Source Commune (similaire à l’émetteur commun), l’entrée est appliquée à la Gate et sa sortie est prise du Drain comme indiqué. C’est le mode de fonctionnement le plus courant du FET en raison de sa haute impédance d’entrée et de sa bonne amplification de tension, et ainsi les amplificateurs à source commune sont largement utilisés.

Le mode de connexion source commune du FET est généralement utilisé dans les amplificateurs à fréquence audio et dans les préamplificateurs et étages à haute impédance d’entrée. Étant un circuit amplificateur, le signal de sortie est déphasé de 180^o par rapport à l’entrée.

Configuration de Gate Commune (CG)

Dans la configuration Gate Commune (similaire à la base commune), l’entrée est appliquée à la Source et sa sortie est prise du Drain avec la Gate connectée directement à la terre (0v) comme indiqué. La caractéristique de haute impédance d’entrée de la connexion précédente est perdue dans cette configuration, car la gate commune a une faible impédance d’entrée, mais une haute impédance de sortie.

Ce type de configuration FET peut être utilisé dans des circuits à haute fréquence ou dans des circuits de correspondance d’impédance où une faible impédance d’entrée doit être adaptée à une haute impédance de sortie. La sortie est en phase avec l’entrée.

Configuration de Drain Commune (CD)

Dans la configuration Drain Commune (similaire au collecteur commun), l’entrée est appliquée à la Gate et sa sortie est prise de la Source. La configuration drain commune ou “suiveur de source” a une haute impédance d’entrée et une faible impédance de sortie avec un gain de tension proche de l’unité, elle est donc utilisée dans des amplificateurs de buffer. Le gain de tension de la configuration suiveur de source est inférieur à l’unité, et le signal de sortie est en phase, 0^o avec le signal d’entrée.

Ce type de configuration est appelé “Drain Commune” car il n’y a pas de signal disponible à la connexion de drain, la tension présente, +V_DD sert simplement de polarisation. La sortie est en phase avec l’entrée.

L’amplificateur à effet de champ de jonction

Tout comme le transistor à jonction bipolaire, les JFET peuvent être utilisés pour réaliser des circuits d’amplificateurs à classe A à étage unique avec l’amplificateur à source commune JFET et les caractéristiques étant très similaires au circuit à émetteur commun BJT.

L’avantage principal des amplificateurs JFET par rapport aux amplificateurs BJT est leur haute impédance d’entrée qui est contrôlée par le réseau résistif de polarisation de Gate formé par R1 et R2 comme indiqué.

Polarisation de l’amplificateur à effet de champ de jonction

Ce circuit amplificateur à source commune (CS) est polarisé en mode classe “A” par le réseau diviseur de tension formé par les résistances R1 et R2. La tension à travers la résistance de Source R_S est généralement fixée à environ un quart de V_DD, ( V_DD /4) mais peut être toute valeur raisonnable.

La tension de Gate requise peut ensuite être calculée à partir de cette valeur R_S. Étant donné que le courant de Gate est nul, (I_G = 0), nous pouvons définir la tension de quiescent DC requise par le choix approprié des résistances R1 et R2.

Le contrôle du courant de Drain par un potentiel négatif de Gate rend le transistor à effet de champ de jonction utile en tant qu’interrupteur, et il est essentiel que la tension de Gate ne soit jamais positive pour un JFET à canal N, car le courant du canal s’écoulera vers la Gate et non vers le Drain, ce qui endommagera le JFET. Les principes de fonctionnement pour un JFET à canal P sont les mêmes que pour le JFET à canal N, sauf que la polarité des tensions doit être inversée.

Dans le prochain tutoriel sur les transistors, nous examinerons un autre type de transistor à effet de champ appelé MOSFET dont la connexion Gate est totalement isolée du canal principal de transport de courant.