Le transistor à effet de champ

11.1 Principe de fonctionnement

La principale différence entre un transistor bipolaire et un transistor à effet de champ, est que le premier est contrôlé par un courant et que le deuxième est contrôlé par une tension. La construction d'un transistor à effet de champ de type N consiste en un barreau de semi-conducteur de type N étranglé par un beignet de type P. Un transistor à effet de champ de type P a un barreau de type P et un beignet de type N. La partie inférieure est appelée la source, la partie supérieure est appelée le drain et entre les deux on retrouve la grille. C'est par un espace étroit (Figure 11-1) que les électrons doivent passer pour se déplacer de la source au drain. La largeur de ce canal est importante parce que c'est elle qui détermine le courant traversant le JFET (de l'anglais "Junction field effect transistor").

La grille et le barreau forment une jonction PN. La zone d'appauvrissement autour de cette jonction étant isolante, l'épaisseur de celle-ci contrôlera la dimension du canal au centre du beignet. Dans le cas d'un JFET de type N, la grille sera polarisée par une tension négative par rapport au barreau. Le but est d'obtenir une zone d'appauvrissement dont l'épaisseur est ajustée par la tension U_GS. Plus cette tension sera grande, plus le canal sera petit et moins de courant pourra alors traverser la structure du JFET. La Figure 11-2 montre les polarités normales d'utilisation d'un JFET de type N et de type P.

Un transistor à effet de champ ne demande à toute fin pratique aucun courant de grille pour fonctionner. Ceci a comme qualité de produire une impédance d'entrée d'un valeur extrêmement élevée. Les entrées d'un amplificateur opérationnel de type TL071, par exemple, ont une impédance de 1 TW!

11.2 Caractéristiques d'un JFET

Tout comme dans le cas des transistors bipolaires, il est nécessaire de polariser de polariser un JFET. Il faut donc déterminer la tension U_GS qui produira le courant de drain (I_D) désiré.

11.3 Courbes id(uds) et id(ugs)

La Figure 11-3 montre la relation entre le courant de drain I_D et la tension U_DS pour des valeurs de U_GS données. Remarquez la similitude entre ces courbes et celles d'un transistor bipolaire I_C(U_CE). Les différences sont la tension de saturation qui est plus élevée et qui change selon de U_GS et le faite que les courbes ne sont pas espacées régulièrement.

Les valeurs inscrites à la Figure 11-3 sont à titre d'exemple. Voici ce qu'elles signifient.

· I_DSS est le courant de drain lorsque U_GS = 0V

· U_GSoff est la tension entre grille et source nécessaire pour bloqué le JFET.

· Up (tension de pincement) est la tension de saturation du transistor @ I_DSS.

· BU_gds ("break down voltage") est la tension de rupture du JFET.

À la Figure 11-4, on retrouve la relation mathématique normalisée entre I_D et U_GS. Cette relation est vrai en autant que le JFET soit utilisé dans la zone d'opération (Figure 11-3). Cette relation est quadratique et ceci explique l'espacement irrégulier entre les courbes. Cette courbe est un outil de travail important. On l'appelle aussi la courbe de transconductance.

La courbe de la Figure 11-4 correspond à l'équation mathématique suivante.

I_D = I_DSS x (1 - U_GS / U_GSoff)2

ou encore

U_GS = -U_GSoff x (û(I_D / I_DSS) -1)

11.4 Polarisation d'un JFET

11.4.1 Polarisation simple

Voici un exemple très simple. Une source (Ugg) est ajustée pour que la tension produise le courant de drain I_D désiré.

Ugg = U_GS

I_D = 10mA x (1 - -2,5V / -5V)2 = 2,5mA

U_D = 15V - 2,5mA x 1k = 12,5V

# 1 - Exemple:

Question

À la Figure 11-5, quelle tension Ugg est nécessaire afin d'obtenir une tension U_D de 10V?

Solution:

U_RD = 15V - 10V = 5V

I_D = 5V / 1k = 5mA

Ugg = U_GS = 5V ( û( 5mA / 10mA) -1) = -1,46V

11.4.2 Polarisation automatique

Il existe une façon plus simple d'ajuster le courant de drain d'un JFET qu'une source ajustée. On appelle cette autre polarisation la polarisation automatique. Elle consiste à installer une résistance entre la borne source du JFET et le point commun et de placer la grille à 0 volt via une résistance à commun. Cette résistance déterminera plus tard l'impédance d'entrée de l'amplificateur à JFET.

Le courant de drain dépend de U_GS. À la Figure 11-6, la grille étant à 0 volt (se rappeler qu'aucun courant ne circule dans la grille), la tension U_GS est déterminée par la tension de la source, qui elle est déterminée par la tension aux bornes de R_S qui est à son tour déterminée par le courant de drain. On est en présence d'un système de deux équations.

#1: I_D = I_DSS x (1 - U_GS / U_GSoff)2

#2: I_D = -U_GS / R_S

Il faut, soit utiliser un ordinateur ou une calculatrice sophistiquée, soit utiliser le graphique normalisé de la Figure 11-4.

Sur l'axe I_D, le "1" représente I_DSS. Dans ce cas-ci il vaut 10mA. Sur l'axe U_GS il représente U_GSoff; -5V.

L'équation #2 est une droite dont la pente vaut -1/RS et dont l'ordonnée à l'origine est zéro. Pour trouver un autre point de la droite on suppose, par exemple, U_GS = -5V.

I_D = --5V / 1k = 5mA. Nous avons maintenant la coordonnée (-5V, 5mA). On trace alors la droite. Le point d'intersection entre la courbe et la droite donne le courant I_DQ et la tension U_GS, soit respectivement 2,5mA et 2,5V (voir la Figure 11-7).

U_D = 15V - 2,5mA x 1k = 12,5V

U_S = 2,5mA x 1k = 2,5V

U_DSQ = 12,5V - 2,5V = 10V

# 1 - Exemple :

Question:

Trouver I_DQ, U_GS, U_D, U_S et U_DSQ du circuit de la Figure 11-6 en changeant la résistance R_S pour une 100W

Solution:

Supposons un courant de 10mA. Ceci implique une tension de 1V aux bornes de R_S. Sur le graphique de la Figure 11-7 on retrouve le point d'intersection: 0,725V et 7,25mA

U_D = 15V - 7,25mA x 1k = 7,75V

U_S = 0,725V

U_DSQ = 7,75V - 0,725V = 7,03V

11.5 Exercices

# 1 - Un JFET a les courbes suivantes. Que valent U_GSoff et I_DSS et dire à partir de quelle tension U_DS le JFET agit-il en source de courant.

# 2 - Un JFET a la courbe de transconductance suivante. Que valent U_GSoff et I_DSS et dire à partir de quelle tension U_DS le JFET agit-il en source de courant.

# 3 - Ecrire l'équation de transconductance du JFET ayant les courbes du #1.

# 4 - Quel est le courant de drain du JFET du #2 si sa tension U_GS = -2V?

# 5 - Voici un circuit à auto-polarisation. I_DSS = 12mA et U_GSoff = -4V. Calculer les valeurs de I_DQ, U_GSQ, U_DSQ et U_D.

# 6 - Au numéro précédent, si on remplaçait R_S per une 510W, que vaudraient U_GS, I_D, U_DS?