Transistors

Transistor à effet champ:

Un transistor à effet champ est un composant à semi-conducteurs à trois broches dans lequel le courant qui circule entre deux d'entre elles est contrôlé par l'action d'un champ électrique sur un "canal" constitué d'un seul type de porteurs de charges; P ou N.

Les trois broches du transistor à effet champ sont: la Grille, le Drain et la Source.

Comparé au transistor bipolaire, le transistor à effet champ est un semi-conducteur Unipolaire. Il utilise une tension appliquée sur sa grille, pour contrôler la circulation d'un courant d'intensité proportionnelle à la tension appliquée, entre le drain et la source.

Le chemin emprunté par ce courant entre le drain et la source est appelé canal.

Les transistors à effet champ ont une haute impédance d'entrée, cette caractéristique les rends particulièrement sensibles aux charges électrostatiques, pouvant entraîner leur destruction.

Il y a deux principaux types de transistors à effet champ:

  • Les transistors à effet champ à jonction (JFET: Junction Field Effect Transistor);
  • Les transistors à effet champ à grille isolée (MOSFET: Metal Oxyde Semiconductor Field Effet Transistor; ou bien appelé IGFET: Insolated Gate Field Effect Transistor).

Transistor JFET:

Un transistor JFET n'a pas de jonction PN. Il est constitué d'une couche mince de semi-conducteur de haute résistivité, pour former le canal N ou le canal P. C'est par ce canal que les porteurs majoritaires vont se déplacer entre le drain et la source.

Le transistor JFET existe dans deux configurations de base:

    • Le JFET à canal N;
    • Le JFET à canal P.

JFET à canal N:

Il est dopé par des porteurs donneurs de charges: les électrons. Le sens du courant à travers le canal est négatif.

Structure:

Symbole:

symbole jfet canal n

JFET à canal P:

Il est dopé par des accepteurs de charges: les trous. Le sens du courant à travers le canal est positif.

Structure:

structure jfet p 1

Symbole:

symbole jfet canal p

Principe de fonctionnement:

Le transistor à effet champ JFET à canal N ou P, possède un chemin résistif par lequel la tension VDS permet au courant de circuler entre le drain et la source; ainsi le transistor à effet champ permet au courant de circuler dans les deux sens.

Cas d'un JFET canal N:  lorsqu'on applique une tension VGS entre la grille et la source, une zone d'appauvrissement se crée dans le canal N:

principe fonctionnement jfet n 2

Si on fait varier la tension VGS, la zone d'appauvrissement va aussi se modifier. Plus VGS diminue, plus le canal se rétrécit, cela peut aller jusqu'au blocage du passage du courant à travers le canal (entre la grille et la source). L'intensité du courant est ainsi controlée par la tension VGS sur la grille. Dans ces conditions, on peut alors comparer le transistor à une résistance controlée par une tension.

Le transistor JFET canal P opère de la même manière qu'un transistor JFET canal N; ce ne sont que les signes des tensions VGS qui sont opposés.

Caractéristiques:

La figure ci-après donne un exemple de caractéristiques d'un JFET canal N:

caracteristique fet

Dans la zone résistive, le JFET se comporte comme une résistance contrôlée par la tension VGS.

Dans la zone de fonctionnement, la variation de VDS n'a presque pas d'effet, le JFET se comporte comme un bon conducteur contrôlé par VGS.

Si la tension VDS continue d'augmenter, et que VDS devient suffisamment élevé on atteindra la zone d'avalanche et le JFET laissera passer une grande quantité de courant de façon incontrôlée.

La Zone de pincement ou de blocage, c'est là où VGS est suffisamment petit pour que la résistance entre le drain et la source à l'état passant atteigne son maximum. Le transistor est pratiquement un circuit ouvert.

Dans la zone de fonctionnement, le courant qui circule entre le drain et la source est donné par la formule:

\[\mathsf{I_D=I_{DSS}[1 - \frac{V_{GS}}{V_P}]^2}\]

VP : étant la tension de pincement;

IDSS: le courant ID maximal lorsque VGS = 0.

Connaissant ID et VDS on peut aussi connaître la résistance drain-source RDS:

\[\mathsf{R_{DS}=\frac{ΔV_{DS}}{ΔI_D}=\frac{1}{g_m}}\]

Où gm est le gain de transconductance. Il représente la variation de ID en fonction de VGS.

Le JFET peut être utilisé dans trois configurations de base:

Le montage source commune:

jfet montage srce commune

L'entrée du montage se trouve sur la grille, et la sortie sur le drain. Ce montage a une grande impédance d'entrée et une faible impédance de sortie. Il peut convenir pour amplifier des tensions.

Montage grille commune:

jfet montage grille commune

Ce montage a une faible impédance d'entrée et un forte impédance de sortie. Il peut servir de "booster" pour amplifier le courant.

Montage drain commun:

jfet montage drain commun

Le montage a une forte impédance d'entrée, et une faible impédance de sortie. Il peut servir d'adapteur d'impédance ou suiveur de tension.

Transistor MOSFET:

Un MOSFET est un transistor à effet champ; il est différent du JFET car il possède une électrode métal-oxyde électriquement isolé vis à vis du canal semi-conducteur N ou P grâce à une mince couche de matériau isolant.

La région où se situe la couche isolante se comporte ainsi comme un condensateur.

En raison de sa fabrication, le MOSFET a une résistance d'entrée extrêmement élevée. Cette propriété le rend particulièrement sensible aux charges électrostatiques, et il peut les accumuler en grande quantité, cela peut entraîner facilement la destruction du composant. Pour ces raisons les MOSFET sont à manipuler avec précaution. On peut aussi prévoir une protection dans un circuit électronique en connectant une diode Zener entre la grille et la source du transistor.

Comme les JFET, on a des MOSFET à canal P, appelés PMOS et des MOSFET à canal N, les NMOS.

La différence avec les JFET est qu'il existe des variantes pour les PMOS et les NMOS.

Ainsi on a:

  • des PMOS à appauvrissement, et des PMOS à enrichissement;
  • des NMOS à appauvrissement, et des NMOS à enrichissement.

Pour les variantes à enrichissement, la présence de la tension VGS fait commuter le transistor en mode "ON". C'est l'équivalent d'un interrupteur normalement ouvert.

Tandis que pour des variantes à appauvrissement, le présence de la tension VGS fait commuter le transistor en mode "OFF". C'est l'équivalent d'un interrupteur normalement fermé.

Structures:

MOSFET canal P à appauvrissement ou PMOS à appauvrissement:

structure mosfet canal p app

MOSFET canal P à enrichissement ou PMOS à enrichissement:

structure mosfet canal p enr

Symboles:

PMOS à appauvrissement:

symbole pmosfet 1 app

PMOS à enrichissement:

symbole pmosfet 1

La broche Sub représente le substrat. Mais en pratique, celle-ci est souvent reliée directement à la source lors de la fabrication, que ce soit pour le MOSFET canal N ou canal P; on a les symboles équivalents ci-après (NFC03205):

PMOS à appauvrissement:                                   PMOS à enrichissement:

         symbole pmosfet 2 app                                                  symbole pmosfet 2 

Pour les transistors MOSFET à canal N ou NMOS on a les symboles suivants:

NMOS à appauvrissement:                                  NMOS à enrichissement:

      symbole nmosfet 2 app                                                   symbole nmosfet 2

Exemple d'utilisation du MOSFET en régime linéaire:

ampli nmos gain variable

C1 est un condensateur de liaison; R1 en parrallèle avec R2 couplées à C1 forment un filtre passe haut.

C2 est un condensateur de découplage. Le gain du montage \(\mathsf{A_V =\large{ \frac{R_C}{R_ER_{Dson}}}}\); RDson étant la résistance du canal lorsque le transistor est dans sa zone linéaire.

Dans ce montage où on retrouve un transistor bipolaire, si on varie la tension VGS, RDson va varier, et le gain AV aussi. Le transistor MOS sert donc à faire varier le gain du montage.

Le MOSFET en commutation:

En régime de commutation, le transistor MOSFET est un bon interrupteur pour contrôler des charges à partir de signaux numériques à faibles intensités de courants, lorsqu'il opère dans la zone de saturation ou de blocage.

Considérons le montage suivant; le transistor utilisé est un NMOS à enrichissement:

montage mos saturation 1

Caractérisation des états:

caracteristique fet 3 1

VTH : Tension de seuil;

\(\mathsf{I_{Dmax}=\large{\frac{V_{CC}}{R_L}}}\)

Lorsque la tension VGS tends vers 0 Volts, le point de polarisation P0 du transistor va se déplacer le long de la droite de charge vers le point B. La résistance du canal RDS devient très grande (de l'ordre de quelques MΩ), le courant ne circule plus entre le drain et la source. Le transsitor se comporte comme un interrupteur ouvert; il est bloqué.

On peut traduire cette situation comme suit:

  • Si VGS < VTH  ; par exemple VGS = 0 Volts;
  • Le transistor est bloqué;
  • VS = VCC;
  • Le courant ID = 0; car RDS ≈ queques MΩ;
  • C'est un interrupteur ouvert

Lorsque la tension VGS augmente et tends vers VCC, le point de polarisation P0 du transistor va se déplacer le long de la droite de charge vers le point A. Le courant qui circule entre la drain et la source tend vers son maximum, la résistance RDS du canal est très faible. Le transistor se comporte comme un interrupteur fermé; il est saturé.

On peut traduire cette situation de la façon suivante:

  • VGS > VTH; par exemple VGS = VCC;
  • Le transistor conduit;
  • \(\mathsf{I_D=I_{Dmax}=\large{\frac{V_{CC}}{R_L}}}\);
  • VS = 0; en réalité VS ≈ 0,2V; car RDS très petit < 0,1Ω;
  • C'est un interrupteur fermé.

En régime de commutation, on utiliser des MOSFET pour commander des charges de fortes puissances. Ils ont pour avantage leur rapidité de commutation. 

Exemples d'utilisation:

Exemple 1:

Les transistors MOS sont utilisés pour la conctruction de portes logiques:

inverseur mos 1

On suppose que le niveau haut c'est lorsqu'on a la tension VCC, et le niveau logique bas c'est lorsqu'on a 0 Volts.

Lorsque E = 0, niveau logique bas, le transistor Q1 est bloqué, et Q2 est saturé. La sortie S = 1;

Lorsque E = 1, niveau logique haut, Q1 saturé, et Q2 est bloqué. La sortie S = 0.

Le montage précédent réalise une fonction d'inverseur logique.

Exemple 2:

Commande d'un relais:

commande relais nmos

La porte logique est alimentée en +5V. On veut par exemple commander un relais dont la bobine fonctionne en 24V. Dans ce montage on peut utiliser le transistor MOS pour commander la bobine, avec une tension +VDD = 24V.

Comparaison:

Le tableau ci-après présente quelques critères de comparaison entre les transistors bipolaires et les transistors à effet champ:

Comparaison Transistor bipolaire - transistor à effet champ
Transistor à effet champ Transistor bipolaire
Trois broches: Grille, Drain, Source Trois broches: Base, Emetteur, Collecteur
Très grande impédance d'entrée Faible impédance d'entrée
Sensible aux charges électrostatiques Robuste
Contrôlé par une tension Contrôlé par un courant
Génère un bruit faible Génère un bruit moyen
Grande impédance de sortie Faible impédance de sortie
Ce site web utilise des cookies

Certains d’entre eux sont essentiels pour son fonctionnement et d’autres nous aident à améliorer l’expérience utilisateur (cookies traceurs). Vous pouvez décider vous-même si vous autorisez ou non ces cookies. Merci de noter que, si vous les rejetez, certaines fonctionnalités du site pourront être défaillantes.