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FST lectronique Linaire

H.Aissaoui Mars 2006 Chapitre 6 Page 1 de 22

CHAPITRE VI TRANSISTORS UNIPOLAIRES

LA THEORIE, LA CONSTRUCTION ET LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DESTRANSISTORS UNIPOLAIRES

La constitution du transistor unipolaire

La dfinition du JFET et MOSFET

FET = Field Effect Transistor TEC = Transistor Effet de Champ

JFET = Junction Field Effect Transistor TECJ = Transistor Effet de Champ Jonction

MOSFET = Metal Oxide Semiconductor FET MOSFET = Transistor MOS

MOSFET est aussi appel FET Grille isole

2 Types de transistor JFET JFET canal n JFET canal p

2 Types ou Catgories de transistor MOSFET


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MOSFET Appauvrissement canal n NMOS canal p PMOS

( Depletion ou D-MOSFET)

MOSFET Enrichissement Substrat n NMOSSubstrat p PMOS

( Enhancement ou E-MOSFET)

Notes

*Le FET est un lment sensible la tension de Grille-Source.Le BJT est un lment sensible au courant de Base.

*Le fonctionnement du BJT repose sur les lectrons ET les trous(2 types de charges)


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Bipolaire (Porteurs Majoritaires et Minoritaires).*Le fonctionnement du FET repose sur les lectrons OU les trous

(1 type de charge) Unipolaire (Porteurs Majoritaires).*Les FET et les BJT ont des diffrences et des similarits Plusieurs rsultats trouvs dans les BJT sont utiliss dans les FET.*Exemple pratiqueUn dtecteur de fume comprend une chambre contenant une pastille radioactive. Lorsque des

particules de fume entre dans la chambre et frappe la pastille radioactive du dtecteur de fume,

des lectrons sont gnrs et collects pour donner une tension dtectable. Le BJT (un lmentsensible au courant de base) ne peut tre utilis car les lectrons gnrs sont insuffisants pouractiver le courant de base. Par contre le FET qui est un lment sensible la tension peut dtecteret amplifier cette tension dtectable.

La comparaison des BJT et FET

Les avantagesLimpdance dentre du FET est trs leve (de 10 M centaine de M ) (Z inMOSFET >> Z in JFET)La dimension du FET est petite par rapport BJTLe FET est beaucoup plus stable avec la temprature que le BJTLe FET gnre moins de bruit que le BJTLe FET est moins sensible aux radiations que le BJT


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Les dsavantagesPour une tension donne, le BJT est beaucoup plus sensible que le FET A v du BJT > A v du

FETLa rponse en frquence des FET est mauvaise cause de la prsence dune capacit lentreLe FET est trs sensible llectricit statique Sensible la manipulation ( handling ).Moins fiable que les BJT.

Le JFET et MOSFET, un lment trois terminaux et quatre terminaux

1) Le JFET est un lment compos de semi-conducteur formant un canal et une jonction de contrle (1des semi-conducteurs agit comme le substrat)

JFET canal n Le canal est du type nLa jonction de contrle du type p

JFET canal p Le canal est du type pLa jonction de contrle du type n

Le JFET est un lment ou composant trois lectrodes ou terminaux.

2) Le MOSFET ressemble au JFET avec la diffrence que le substrat ( Body ) est spar de la grilleou la grille est isole du substrat.

NMOS Le canal ou le substrat est du type n


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La jonction de contrle du type pPMOS Le canal ou le substrat est du type p

La jonction de contrle du type nLe MOSFET est un lment ou composant quatre lectrodes ou terminaux.

Notes*Le FET canal n est utilis plus que le canal p cause de la mobilit des lectrons versus celledes trous.*Le canal et la jonction ont des contacts mtalliques pour tre relis au monde externe.

*Lexistence de 2 types complmentaires de FET ( canal n et p) permet une plus grandeflexibilit dutilisation et de conception de circuits lectroniques. Dpendant de lalimentation on aura besoin dutiliser le n ou le p. Pour certaines applications, on aura besoin dutiliser les 2 types de transistor, le canal n et le

canal p.


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Les diffrents types de transistorsLa reprsentation schmatique du JFET et MOSFETJFET


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JFET canal n JFET canal p

Prsence de 3 lectrodes (S, G et D).

MOSFET Appauvrissement


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MOSFET canal n MOSFET canal p Enrichissement


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MOSFET canal n MOSFET canal p

Prsence de 4 lectrodes (S, G, D et le substrat).

6.1.1.1. La dfinition du drain, de la source et de la grille

S = Source (BJT) E = metteur,G = Grille, (BJT) B = Base,D = Drain (BJT) C = Collecteur SS = Substrat Non Applicable

Notes

*Pour le MOSFET Enrichissement, bien quil n y a pas de canal on utilise la terminologie canal n et canal p.* Pas de canal pour le MOSFET Enrichissement.

6.1.1.2. Le symbole du JFET et MOSFET et les conventions de courants et de tensions

JFET


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canal n canal p

JEFT canal n IDpour V

GSngative < V

GS 0 (V

DS> 0)

JFET canal p ID pour 0 V

GS> V

GSpositive. (V

DS< 0)

Le substrat est normalement reli la Source linterne du composant.

MOSFET

Appauvrissement


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canal n canal p Enrichissement

canal n canal p

Les MOSFET Appauvrissement et Enrichissement


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Les 2 types de MOSFET

Le MOSFET Appauvri ou en Dpltion Le MOSFET Enrichi.

Diffrence entre le MOSFET Appauvri et Enrichi

MOSFET Appauvri Existence de canal

MOSFET Enrichi Pas de canal.

NMOS Appauvri IDpour V

GSngative < V

GS< V

GSpositive

NMOS Enrichi IDpour V

GS> 0.

PMOS Appauvri IDpour V

GSngative < V

GS< V

GSpositive

PMOS Enrichi ID pour V

GS< 0.

Notes*Le JFET a presque les mmes caractristiques que le MOSFET Appauvrissement avec ladiffrence suivante

JEFT canal n IDpour V

GSngative < V

GS 0

NMOS Appauvri IDpour V

GSngative < V

GS< V

GSpositive


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Puisque VGS

ngative < VGS

< VGS

positive, le MOSFET Appauvrissement fonctionne enmode appauvri ou enrichi.

JFET canal p I D pour 0 V GS < V GSpositive. PMOS Appauvri I

Dpour V

GSngative < V

GS< V

GSpositive

*Les diffrents types de botiers des transistors sont donns lannexe.

La construction physique du JFET et MOSFET

La reprsentation schmatique du JFET facilite la comprhension de son fonctionnement mais lastructure physique planaire est un peu diffrente de la reprsentation schmatique. Les circuits planairesqui suivent sont ceux de JFET et MOSFET.

JFET


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MOSFET Appauvrissement MOSFET Enrichissement

Le fonctionnement du JFET et MOSFET

JFET canal n

Note*La reprsentation schmatique du JFET facilite la comprhension de son fonctionnement.

Pour lexplication du fonctionnement du JFET, analysons le JFET canal n.Prenons un semi-conducteur du type n et appelons lun des bouts comme Source (S) et lautre Drain(D). Lorsquon applique une diffrence de potentiel V

DSpositive entre ces 2 bouts, il y aura un courant


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circulant de D S (le semi-conducteur agit comme une rsistance et la courbe VDS

et IDest une droite

passant par lorigine avec une pente proportionnelle aux caractristiques du semi-conducteur).

Ajoutons les semi-conducteurs du type p appels les Grille (G). Il y aura formation de diodes formation de 2 zones dappauvrissement du ct du Drain et de la Source (voir la figure qui suit).

Sans polarisation Avec Polarisation

Le transistor est principalement form dun canal et dune jonction de contrle. La largeur du canal est

dtermine par la largeur des zones de dpltion.

6.1.1.3. Le JFET non polaris

Lorsque le JFET est non polaris, nous aurons 2 zones dappauvrissement entre la partie infrieure ducanal (Source), la partie suprieure du canal (Drain) et les jonctions Grille.


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Le JFET polaris(POUR LTUDE VOIR LA COURBE I

DVERSUS V

DS)

1) VGS

= 0


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Situation 1V

DS= V

DD> 0 (Petites tensions).

Note*Les valeurs des petites tensions dpendent du FET utiliss.

La jonction de la partie infrieure de canal (Source-Grille) nest pas polarise mme zone dedpltion quen cas du JFET non polarisLa jonction de la partie suprieure du canal (Drain-Grille) est polarise inversement la zone dedpltion est largie rduisant la largeur du canal(Le semi-conducteur prsente une certaine rsistance).

Situation 20 < VDS

< -VP

(VPTension ngative = Tension dtranglement)

La jonction de la partie infrieure de canal (Source-Grille) nest pas polarise mme zone dedpltion quen cas du JFET non polarisLa jonction de la partie suprieure du canal (Drain-Grille) est polarise inversement la zone dedpltion est largie jusqu la fermeture du canal


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(La rsistance du semi-conducteur commence changer).

Note*Lorsque V

DS= -V

P, le courant naugmente plus et reste presque constant. On dit que le canal est

trangl et VP= Tension dtranglement

Canal trangl ID 0 et non 0.

Situation 3V

DS= V

DD> -V

P

Le courant est pratiquement constant et est satur une valeur I D = I DSS .Le courant I

DSS(avec V

GS= 0) est le courant maximum que le JFET peut produire en fonctionnement

normal.


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2) VP< V

GS < 0 (V

GSngative)

SituationV

DS= V

DD> 0

Mme raisonnement que le cas avec VGS

= 0, avec IDsatur < I

DSS.

3) VGS

= VP

Situation

V DS = V DD > 0


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ID= 0 quelque soit la valeur de V

DS.

Notes

1) Pour V GS = 0*Lorsque V

DS= -V

P= V

DS SAT I

D= I

DSS(Zone active).

* VDS SAT

(pour VGS

donne) = VGS

-VP

(pour chaque VGS

une valeur de VDS SAT

)

*Lorsque VDS

= -VP les 2 couches de dpltion de la partie suprieure (Drain) se rapprochent et

se touchent.

*Pour V DS > -V P la couche de dpltion de la partie suprieure (Drain) se rpartie et augmente larsistance effective du canal de conduction I

Dreste essentiellement constant Niveau de saturation (I

D 0).

*Bien que les zones de dpltion de la partie suprieure se touche, la diffrence de potentiel auxbornes de cette rsistance effective cre un champ intense permettant le passage des lectrons.


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*Pour comprendre comment le courant reste constant, imaginer 2 rsistances en srie de 1 etdune rsistance x variable. Pour V

DS>-V

Pla rsistance variable change de valeur de telle sorte

que I D reste constant.

2) Pour VP< V

GS< 0

*Le niveau de saturation du courant diminue (I D < I DSS ).3) Pour V

GS= V

P

*Le canal est compltement bloqu et le courant ID

~ 0.

Pour VGS

= 0 et VDS

> - VP I

D= I

DSS, alors le JFET peut tre reprsent comme une source de

courant gale IDSS

- -


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*Puisque la Grille est toujours en polarisation inverse, le courant I G ~ 0 Limpdance dentre est leve.

Une courbe gnrale des situations mentionnes est donne par

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