Le transistor à effet de champs.

et ses applications.

1. Introduction

Le transistor à effet de champ (field effect transistor) est plus facile à appréhender que le transistor bipolaire. Son principe consiste à perturber un courant au moyen d'un champ électrique crée en appliquant un potentiel sur une électrode. Il éxiste deux familles de fet :

  • les transistors à jonction, ou JFET,
  • les transistors à grille isolée ou MOSFET.
Le JFET canal N utilise un barreau de silicium dopé N dont les extrémités sont reliées à des électrodes drain et source. Une inclusion de silicium dopé P est reliée à l'électrode de commande, la grille. Il s'établit ainsi un canal dans lequel va circuler un courant quand une ddp Vds sera appliquée. Le courant de grille est un courant inverse de diode très faible. Le courant de drain est égal au courant de source et la résistance d'entrée est considérable (il n'est vue entre drain et source que di silicium).

Figure 1 : Principe du JFET canal N.

Le courant de drain est donc fonction de la tension de polarisation Vgs. Quand une tension inverse est appliquée à la jonction PN, il apparait un champ électrique qui repousse les charges mobiles ; tout se passe comme si le canal était rétréci par la présence d'une zone isolante ; plus Vgs est négatif, plus le canal est rétréci, plus la résistance effective drain-source est augmentée et Id réduit. Le courant de drain s'annule dès que Vgs devient suffisamment négatif, c'est la tension de pincement.

Figure 2 : Caractéristiques du JFET.

Le réseau de caractéristiques est ressemblant à celui du transistor bipolaire à la différence près que la grandeur de commande est non plus un courant mais une tension. La zone de saturation est obtenue là ou le courant de drain atteint un pallier ; dans cette région, le JFET peut être assimilé à un récepteur de courant commandé par une tension. La zone ohmique est obtenue pour de faible valeurs de Vds. Le courant drain maximal obtenu avec Vgs=0 correspond à Idss et vaut de l'ordre de quelques milliampères.

Id = Idss [1 - Vgs/Vp]²

Figure 3 : Symbole du JFET et quadripole équivalent.

Le symbole des transistors JFET type N et P ne sont pas forcément évidents en première approche ; la flèche correspond au sens passant de la jonction PN. Le drain et la source ne sont pas individualisés, le JFET est un composant presque symétrique, ce qui est surtout vrai pour de faibles tensions Vds.
Le quadripôle équivalent au transistor à effet de champ permet de déterminer les diverses limitations de la bande passante. Outre la source de courant commandée par la tension Vgs, il apparait les capacités d'entrée et de sortie Cgs et Cds ainsi que la capacité de réaction Cdg.

2. Fonctionnement en résistance commandée.

Pour de faibles tension Vds, les caractéristiques se présentent comme des droites se prolongeant vers les tensions négatives et passant par zéro. La pente dépend de la tension de polarisation Vgs ; en d'autres termes, entre le drain et la source, le JFET est équivalent à une résistance commandée dont la valeur peut aller de quelques centaines d'ohms pour Vgs=0 à une valeur considérable pour Vgs inférieur à Vp.

1/Rds = Rds_on / [1 - (Vgs/Vgs_off)]
Si Vgs = 0 alors Rds=Rds_on#150 Ohms
Si Vgs #Vgs_off alors Rds infinie

Application à un amplificateur controlé en tension (CAG) : Analyse détaillée de ce principe.

3. Applications.

Deux types d'applications bien différentes apparaissent : l'utilisation en commutation, qui utilise la propriété de la résistance Rds de valeur faible ou élevée selon Vgs, ou l'utilisation en régime linéaire pour l'amplification. Précisons quelques références traditionnelles de FET : 2N3819, BF245...

Florent PORTELATINE novembre 2004 Sceaux V1.0
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