Transistor Effet de Champ

8/2/2019 Transistor Effet de Champ

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Chapitre 3

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP (FET)

INTRODUCTION

1. TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION PN (JFET)1.1 Structure et symbole1.2 Principe de fonctionnement1.3 Caractristiques lectriques1.4 Polarisation du JFET1.5 Schma quivalent en petits signaux.

2. UTILISATIONS DES JFETs

2.1 Amplificateur JFETs: Montage Source Commune2.2 Utilisation en rsistance commande

2.3 Source de courant3. LE TRANSISTOR MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

3.1 MOSFET canal induit

3.1.1 Structure et fonctionnement3.1.2 Caractristiques

3.2 MOSFET canal diffus ( dpltion)

3.2.1 Structure et fonctionnement3.2.2 Caractristiques

4. UTILISATION DES MOSFETs.

INTRODUCTION

Ce chapitre est consacr aux transistors effet de champ, ou FET ( FieldEffect Transistor ), dontltat de conduction et lintensit du courant sont contrls par la tension applique une lectrodede grille. Ce sont des transistors unipolaires (par opposition aux transistors bipolaires), car lecourant nest transport que par un seul type de porteurs de charge (lectrons ou trous).

Il en existe une grande varit : les JFET (Jonction Field Effect Transistors), dans lesquels la tensionde grille contrle lextension de la rgion de dpltion dune jonction PN, les MESFET (Metalsemiconductor FET), dans lesquels la jonction PN est remplace par une jonction mtal-semiconducteur, et enfin les MOSFET (Metal Oxide FET), dans lesquels la grille est spare du

semiconducteur par un oxyde, jouant le rle dun isolant.Le fonctionnement des FET est fondamentalement plus simple que celui des transistors bipolaires.Historiquement, le principe des transistors effet de champ a t propos trs tt dans ledveloppement des dispositifs lectroniques (1930, Lilienfeld), mais son implmentation pratique at freine lpoque par le manque de comprhension du rle jou par les effets de surface. Ceretard a permis aux transistors bipolaires de se dvelopper considrablement. Le problme des tatsde surface na t rsolu quen 1960, avec le premier prototype de MOSFET de Kahn et Attala. Lestransistors MOSFET au silicium ont ensuite petit petit supplant les transistors bipolaires dans bonnombre dapplications. En effet, par leur principe du contrle de ltat de conduction par unetension, les transistors effet de champ sont idals pour fonctionner en commutation dans lesapplications dlectronique numrique. Ils se prtent galement facilement la miniaturisation.

Actuellement, les mmoires et les processeurs au silicium peuvent contenir plusieurs millions detransistors MOSFET.


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1. TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION PN (JFET)

1.1 Structure et symbole

De mme qu'il existe deux types de transistors bipolaires (NPN et PNP), le FET jonction (ouJFET) est dclin en deux versions: le canal N et le canal P. Les deux types de transistors sontreprsents dans les figures 1 et 2.

Figure 1: JFET canal N

Figure 2: JFET canal P

On distingue 3 contacts: la Source S est l'lectrode par o les porteurs majoritaires entrent dans le barreau. (Source

d'lectrons) le drain D est l'lectrode par o les porteurs majoritaires quittent le barreau. (lectrode

charge de drainer les lectrons) la grille G permet de commander le courant IDS

La flche reprsente la jonction grille / canal, et son sens indique quel serait le sens du courant si lajonction tait passante.

1.2. Principe de fonctionnement

Prenons le cas d'un transistor canal N.

Figure 2: Principe de fonctionnement d'un JFET

En fonctionnement normal, le drain sera polaris positivement par rapport la source (VDS > 0), lagrille sera polarise ngativement par rapport la source (VGS


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Si VDS=0, quelque soit la valeur de VGS, on aura toujours VGS=VGD, donc la zone dedpltion aura la mme largeur tout le long du canal.

Pour VDS > 0, la tension inverse de la jonction est VGS du cot source et VGD=-VDS+VGS ducot du drain soit |VGD|=|VDS|+|VGS|, donc la zone de dpltion sera plus large de ce cot etde ce fait le canal sera plus troit (Figure 2).

1.3 Caractristiques lectriques

La figure 3 reprsente les caractristiques de transfert I DS = f (VGS) gauche, et de sortieIDS=f(VDS,VGS) droite.

Figure 3: Caractristiques du FET jonction.

1. Regardons ce qui se passe si on prend VGS=0 et on fait augmenter VDSprogressivement. Onobserve (Figure3) que pour les valeurs faibles de VDS, un courant ID proportionnel VDScircule dans le canal qui se comporte donc comme une rsistance RDS. Au fur et mesureque VDS augmente, le canal s'trangle du cot du drain car VDS=VDG, il arrive un moment ola largeur du canal devient tellement troite qu'il se produit un phnomne de saturation ducourant ID, qui n'augmente quasiment plus mme si on continue d'augmenter VDS. La tensionVDS qui provoque ce phnomne est dite tension de pincement Vp . Le courant ID

correspondant est not IDSS.

2. Si on refait la mme chose mais cette fois ci avec une tension VGS non nulle, au dbut, pourVDS=0, on a VGD=VGS, ce qui donne une zone de dpltion rgulire le long de tout le canalqui, ainsi, voit sa largeur rduite. Ds que VDS commence augmenter, ID augmente

proportionnellement mais avec, cette fois, une pente plus faible car la rsistance du canal estplus leve. Au fur et mesure que VDS augmente, le canal s'trangle du cot du drain carVDG=VDS+|VGS|. Au moment o VDG=Vp, le canal est pinc et il y a saturation du courant ID.Remarquons que le pincement se fait pour une valeur de V'p de VDS infrieure Vp : V'p =Vp - |VGS| = Vp + VGS

3. Si maintenant on applique une tension VGS=-V'p, mme pour VDS nulle, le canal est pincsur toute sa longueur. Il ne peut y avoir de courant ID mme si on fait augmenter VDS, on dit

que le transistor est bloqu. Pour viter toute confusion on notera VGSoffla valeur de VGS quibloque le transistor et Vp la valeur de VDS qui provoque la saturation de courant ID pourVGS=0.

En rsum,

La caractristique de sortie peut tre dcompose en deux grandes zones: la partie correspondant au fonctionnement courant constant (zone de pincement), et qui

servira l'amplification de petits signaux de la mme manire que pour le transistorbipolaire.

la zone ohmique (en gris sur la figure 3): dans cette zone, le FET est assimilable unersistance dont la valeur est pilote en tension.

La caractristique de transfert est assez bien approxime par une parabole d'quation:


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1.4 Polarisation du JFET

Comme pour les transistors bipolaires, la polarisation d'un JFET peut s'obtenir l'aide d'une seulealimentation et des rsistances dont le rle est de fixer le point de repos du transistor.Le montage le plus utilis dite polarisation automatique est le suivant:

Figure 4: Polarisation dite automatique d'un JFET

La grille est relie la masse par une rsistance RG de forte valeur. Comme le courant grille est nul,le potentiel de grille est nul. Le courant drain produit dans la rsistance de source une chute detension gale RS.ID . La tension grille-source vaut donc : VGS = VGM VSM = RS.ID . La grille est

bien ngative par rapport la source.Si le courant drain augmente, la chute de tension dans la rsistance de source augmente ce quidiminue la conduction du canal et donc le courant drain. Il y a une contre-raction qui stabilise le

point de fonctionnement.

Lquation de la droite dattaque est : ID=V

GS

Rs

et celle de la droite de charge est : ID=1

RS+R

D

VDS+

E

RS+R

D

1.5 Schma quivalent en petits signaux.

Ce schma, comme pour le transistor bipolaire, concerne un composant convenablement polaris: lefonctionnement se fera dans la zone de pincement.

On construit le de la mme manire que pour le transistor bipolaire.

Figure 5: Schma quivalent alternatif petits signaux.

Le schma de la figure 7 est celui relatif au FET canal N. En entre, on applique une tension V GSet le courant consomm est nul. En sortie, on retrouve les mmes lments que pour le transistor

bipolaire: une source de courant (commande par la tension VGS, et non par un courant), et sarsistance parallle . Comme pour le transistor bipolaire, cette rsistance est trs leve (plusieurscentaines de k ), et on la ngligera dans toutes les applications courantes.

g = ID/VGS VDS=Cte est la transconductance ou la pente du FET. En drivant l'expression de IDSpar rapport VGS on obtient:


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2. UTILISATIONS DES JFETs

De par sa constitution, le FET jonction n'est pas adapt du tout aux forts courants. Il va restercantonn aux applications d'amplification et de traitement des petits signaux.

Il est utilis dans des montages haute impdance d'entre et faible bruit: pramplificateurs poursignaux de faible niveau par exemple.

Dans ces conditions, l'utilisation la plus importante qui est faite de ces transistors est l'intgrationdans des composants tels les amplificateurs oprationnels: la trs forte impdance d'entre des JFETleur donne un avantage dcisif par rapport aux bipolaires, et aujourd'hui, la plupart des ampli-op dequalit possdent au minimum un tage d'entre en JFET.

2.1 Amplificateur JFETs: Montage Source Commune

Ce montage est lquivalent du montage metteur commun pour le bipolaire. Le fonctionnementsera donc totalement similaire. Un montage drain commun existe aussi, qui est le pendant dumontage collecteur commun du bipolaire; ce montage n'a toutefois que peu d'intrt, car le FET est

un composant trs forte impdance d'entre, et ce, on va le voir, mme lorsqu'il est utilis ensource commune.Nous allons voir le montage source commune pour le FET de type N. Le montage canal P s'endduit aisment.

Figure 12: Montage source commune.

On veillera polariser le composant pour que la tension de repos VDS0 ne soit pas trop faible, demanire ce qu'il fonctionne dans la zone gnrateur de courant.On rajoute un condensateur de dcouplage CD sur RS pour que la source soit effectivement lamasse en alternatif. Sans ce condensateur, on aurait un effet de contre raction qui affaiblirait

beaucoup le gain en tension.Vu que la grille est au mme potentiel que la masse, le gnrateur d'entre, s'il dlivre uniquementun signal alternatif, peut tre coupl directement la grille, sans condensateur de liaison. La sortiese faisant sur le drain, en revanche ncessite un condensateur de liaison pour ne pas perturber lestages avals.

A. Fonctionnement en petits signaux.

Nous avons vu que la caractristique de transfert du FET n'est pas linaire: nous allons donc treobligs de travailler en petits signaux pour pouvoir linariser le montage et utiliser les loisfondamentales de l'lectricit.

Le schma quivalent se construit de la mme manire que pour les montages transistorsbipolaires. On utilise le schma quivalent du FET, et on obtient:


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Figure 13: Schma quivalent en alternatif petits signaux.

B. Gain en tension.

Les quations sont quasiment triviales. En entre, on a:

En sortie, si on nglige , dont la valeur est trs leve vis vis de RD , on a :

On en tire aisment le gain en tension vide:

C. Impdance d'entre.

La solution est triviale:

On veillera ne pas choisir une valeur trop leve tout de mme pour que la chute de tensionoccasionne par le courant de fuite de la grille soit ngligeable. On choisira typiquement une valeurde l'ordre de quelques M .

D. Impdance de sortie.

On se retrouve exactement dans le mme cas pour le montage metteur commun du bipolaire. En

oprant la mme transformation norton-thvenin que pour ce dernier montage, on trouve:

Cette valeur est moyenne, RD valant typiquement quelques k . On ne pourra gnralement pasutiliser ce montage sans un tage adaptateur d'impdance en aval.

2.2 Utilisation en rsistance commande

Si on utilise le FET dans la zone ohmique, on peut faire varier la rsistance du canal en modifiant latension VGS . Le FET est utilis dans un montage potentiomtrique (diviseur de tension) mettant en

jeu la rsistance RDS du canal et une rsistance additionnelle R.

Sur le schma figure 14, on remarque un rseau r-r-C reliant le drain la grille et la commande.

On pourrait appliquer directement la tension VC sur la grille, mais en rajoutant ce rseau, onamliore la linarit, notamment pour des tensions VE , donc VS ngatives: en effet, on a dj vu quedans ce cas, la jonction grille-canal est polarise en direct, et le FET ne travaille pasconvenablement. En appliquant sur la grille la moiti de la tension alternative prsente sur le drain,on amliore sensiblement la linarit et la tension maximale d'utilisation du FET en rsistancecommande. Cette tension maximale demeure faible.

Figure 14: Utilisation en rsistance commande.


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Cette fonction est utilise en particulier dans des amplificateurs commande automatique de gain(CAG), qui permettent de garantir un niveau de sortie constant avec un niveau d'entre fluctuant(exemple: rglage automatique du niveau d'enregistrement des magntophones cassette audio bonmarchs).

Une autre application dduite de la fonction rsistance commande est le commutateur analogique:si on applique une tension suprieure ou gale en valeur absolue la tension de pincement VP sur la

commande, la rsistance de drain va devenir trs grande (quelques M ). Si on choisit pour R unevaleur moyenne (quelques dizaines de k ), la tension VS sera quasiment gale la tension VE :tout le signal passe.

Si on applique maintenant une tension nulle sur la grille, la rsistance du FET sera minimum(quelques centaines d'ohms), et la tension VS sera quasiment nulle.

On a ainsi ralis un commutateur analogique. Cette fonction est trs utilise sous forme de circuitsintgrs et permet le multiplexage de signaux analogiques, une fonction indispensable pour lesdispositifs d'acquisition de donnes.

2.3 Source de courant

Figure 15: Source de courant deux bornes.

On a vu lors de la polarisation du montage source commune comment procder pour obtenir uncourant de polarisation de drain constant. L'ajustage de la rsistance de source dfinit le courant de

drain. Si on retire du montage source commune la rsistance de drain, on se retrouve avec undispositif deux bornes susceptible de garantir un courant constant dans le circuit sur lequel il sera

branch.

Des circuits intgrs existent, qui comprennent le FET et sa rsistance de polarisation (la rsistancede grille est ici inutile), et qui peuvent servir de sources de courant prrgles. Des restrictionslimitent toutefois leur usage:

le composant est polaris: le courant ne peut circuler que dans un seul sens. ce dispositif ne gnre pas de courant, il le rgule (comme la zner rgule une tension). la tension applique entre les deux bornes du composant doit tre au moins suprieure la

tension VGS de polarisation permettant le fonctionnement du FET dans sa zone de

pincement.3. LE TRANSISTOR MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

Le fonctionnement de ce genre de transistor est un peut similaire celui du JFET par le fait qu'iciaussi on va moduler le courant ID par la modulation de la largeur d'un canal conducteur. Ici, on ne seservira pas d'une jonction PN pour y arriver. La grille mtallique est isole du canal par une finecouche d'oxyde de silicium fortement isolant.La grille, la couche de silice ( SiO2 ) et le canal constituent un condensateur dont la polarisation

peut modifier la conductivit du canal. Le changement peut se produire soit: dune modification de la concentration en porteurs majoritaires et lon a des MOS canal

diffus ou dpltion,

dune modification de la concentration en porteurs minoritaires et lon a alors des MOS canal induit ou enrichissement.


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3.1 MOSFET canal induit

3.1.1 Structure et fonctionnement

Sur un substrat dop P sont diffuses deux zones trs dopes N formant le drain et la source duMOSFET. Il existe galement des MOS avec un canal P et qui fonctionnent avec des tensions et descourants opposs ceux ayant un canal N.Sur le symbole utilis pour la reprsentation des MOS canal diffus, le canal est reprsent par un

trait continu. Une flche figure la jonction substrat-canal, elle est oriente dans le sens passant de ladiode. Les quatre lectrodes peuvent tre accessibles mais le substrat et la source peuvent tre relisen interne.

Figure 6: Phnomne d'inversion.

Si VGS < 0, aucun courant de drain ne passera, car le circuit source-drain est compos dedeux jonctions en srie, l'une PN, l'autre NP: il y en aura toujours une en inverse.

Lorsqu'on applique une tension VGS positive, l'lectrode de grille, l'isolant et le substrat Pforment un condensateur. Les lectrons (porteurs minoritaires du substrat P) sont alorsattirs vers la grille.

Pour une tension VGS suffisamment leve (tension de seuil), la concentration en lectronsdans le substrat est suprieure la concentration en trous au voisinage de la grille; on a alorsune couche N dite couche d'inversion entre les zones N de la source et du drain. Les deux

jonctions disparaissent, on n'a plus qu'un canal N, et le courant peut passer entre drain etsource si une tension VDS non nulle est applique. La tension VGS partir de laquelle il y ainversion du canal est dite tension de seuil VTH.

Ce mode de fonctionnement est appel enrichissement, car une tension V GSpositive enrichit lecanal en porteurs minoritaires, permettant le passage du courant.

3.1.2 Caractristiques

Les caractristiques de sortie de ce type de transistor ont laspect habituel de celles des transistors effet de champ.

Figure 7: Caractristique de sortie du MOS canal N.

Pour les valeurs faibles de VDS, le canal se comporte comme une rsistance RDS. D'une faonsimilaire au JFET, le fait d'augmenter VDS, provoque la diminution de la largeur du canal du cotdrain et il arrive un moment (|VDS| = |VGS-VTH|) o il y a pincement du canal. Le courant de


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drain tend alors vers une valeur constante, de la mme manire que pour le JFET.La caractristique de transfert est parabolique et son quation est de la forme :ID = K(VGS VTH).

Figure 8: Caractristique de transfert du MOS canal N.

La tension de seuil atteint plusieurs volts (1 3 typique). Ce seuil varie avec la temprature.

3.2 MOSFET canal diffus ( dpltion)

3.2.1 Structure et fonctionnement

Le MOSFET canal diffus a la mme structure que le MOS canal induit, avec en plus, un canal

faiblement dop N entre la source et le drain.

Figure 9: MOSFET N canal diffus

Pour VGS nulle, Ce transistor fonctionne comme un JFET: un courant de drain pourracirculer; quand VDS augmente, un phnomne de pincement se produit, qui obstrue le canal:le courant de drain devient constant.

Si VGS est infrieure ou gale 0, on acclre le pincement (le condensateur form par lagrille, l'isolant et le canal attire des trous dans le canal initial qui neutralisent les lectrons decette zone N): on fonctionne en rgime d'appauvrissement.

Au contraire, pour VGS suprieure 0, on retrouve le fonctionnement du MOS enrichissement, et le courant de drain va crotre.

3.2.2 Caractristiques

Pour les tensions VGSpositives, il y a un accroissement du nombre de porteurs libres dans le canal(enrichissement) et pour les tensions VGS ngatives, on a un appauvrissement.

Figure 10: Caractristique de sortie du MOSFET N canal diffus


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Figure 11: Caractristique de transfert d'un MOSFET canal initial

Lexpression du courant drain est comme pour un JFET donne par:

mais cette fois VGS peut tre positif ou ngatif.

La polarisation de ce type de transistor est particulirement simple car on peut le polariser avec lagrille la masse (VGS = 0). On peut galement utiliser les mmes mthodes de polarisation que

pour les JFET.

4. UTILISATION DES MOSFETs.

De par leur constitution, les transistors MOS sont trs fragiles, notamment au niveau de la grille.Les dcharges lectrostatiques sont proscrire, car elles peuvent casser le composant, ou pis,l'endommager sans que ses caractristiques ne changent: c'est la fiabilit qui est compromise.MOSFET de puissance.

Les MOS servent beaucoup en commutation de puissance, car ils sont trs rapides et commandablesen tension. On notera toutefois qu' frquence leve, la grille formant un condensateur avec lesubstrat, elle ne prsente plus une impdance infinie, comme en statique.Quand ils sont passants, ils fonctionnent dans la zone ohmique, et leur caractristique essentielleest, avec la tension VDS maxi, la rsistance RDS , qui peut tre aussi basse qu'une dizaine de m.Intgration dans les composants numriques.

La technologie MOS se prte trs bien l'intgration grande chelle: elle permet de raliser descomposants logiques consommant trs peu de courant, et permet ainsi un trs grand niveaud'intgration (exemple: mmoires, microprocesseurs, circuits logiques divers ) Les transistors MOSsont utiliss ici en commutation.

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