TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP

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1 TRANITOR A EFFET E CHAMP La déomiatio «trasistor à effet de cham» (TEC ou FET) regroue deux tyes de trasistors : le TEC à joctio (JFET) le TEC à grille isolée (IFET : isulated gate FET, MOFET : Métal Oxyde emicoductor FET) Comaraiso au trasistor biolaire : foctioemet lié au délacemet d'u seul tye de orteur (les orteurs majoritaires : électros ou trous) ; comosat uiolaire. simle à fabriquer, surface réduite (lus haut iveau d'itégratio). très forte imédace d'etrée (M ). facteur de bruit iférieur au trasistor biolaire. facteur de mérite (roduit x BP) iférieur au trasistor biolaire. Polytech'Nice ohia 1 C. PETER V 3.0

2 JFET I Etude théorique I.1 Pricie Le TEC est réalisé das u barreau de semicoducteur doé (N sur l'exemle ci cotre). a coductace déed du taux de doage et des dimesios du barreau. Pour moduler les dimesios du caal, o ajoute deux zoes de doage P. E olarisat les joctios PN e iverse, o eut agir sur les dimesios des zoes délétées et doc sur la taille du caal. O eut aisi moduler le courat das le trasistor e iterveat sur le cham existat das les joctios. Polytech'Nice ohia 2 drai E source drai grille Vgg E source

3 JFET I.2 ymboles, tesios et courats OURCE : électrode ar laquelle les orteurs etret das le caal. RAIN : électrode ar laquelle les orteurs quittet das le caal. RILLE : électrode de commade (I = 0). caal N caal P I V I V V é I V I trous V < 0 V > 0 I > 0 V > 0 V < 0 I < 0 Remarque : le ses de la flèche rerésete la diode qui doit être olarisée e iverse. Polytech'Nice ohia 3 C. PETER V 3.0

4 JFET I.3 Foctioemet our V = 0 V = 0 zoe délétée e orteur V < 0 V = Voff Vgg Vgg La coductace maximale du barreau est obteu our V = 0. Lorsque la tesio V deviet égative, la zoe délétée s'éted réduisat la taille du caal et sa coductace. Lorsque V = Voff, les deux zoes délétées se rejoiget et le caal est surimé. La coductace ted alors vers 0 (imédace ifiie). Le TEC foctioe e délétio ou aauvrissemet. as ce cas, o eut cosidérer le TEC comme ue résistace commadée e tesio. Polytech'Nice ohia 4

5 JFET our V > 0 ➀ ➁ E ➂ E E ➀ Pour V > 0, le otetiel du drai est suérieur au otetiel de la source. La tesio iverse grille caal sera doc lus imortate du coté du drai. La zoe de déletio s'élargit doc vers le drai du trasistor. ➁ Lorsque V, il y a icemet du caal our V = VP. ➂ i V ecore, le caal se rétrécit et le courat est limité. Polytech'Nice ohia 5

6 JFET I.4 Réseau de caractéristiques I V I trasfert sortie C I V TEC caal N V = 0 V A O V = 1 V V = 2 V V = cste V = 3 V V V Voff Vmax V Lorsque V augmete, I croit liéairemet (O) uis atteit la zoe du coude due au début du icemet du caal (C) et atteit fialemet ue valeur de saturatio (). i V déasse Vmax le semicoducteur est détruit ar effet d'avalache. Polytech'Nice ohia 6

7 JFET réseau de sortie our V = 0, I est maximal : I zoe O : zoe ohmique, le TEC se comorte comme ue résistace : zoe C : aaritio du icemet R V P I zoe : zoe liéaire ou de saturatio, le TEC se comorte comme ue source de courat commadée e tesio (V > V P ) zoe A : zoe d'avalache réseau de trasfert équatio du courat de drai : I =I 1 V V off 2 V off : tesio de blocage (I = 0, V ), V off = V P disersio imortate des réseaux de caractéristiques (our des TEC idetiques) gradeurs fodametales : I, V P. Polytech'Nice ohia 7 C. PETER V 3.0

8 JFET II Polarisatio II.1 Polarisatio ar la grille O alique ue tesio de grille costate : V I I V trasistor 1 Q1 R droite de charge I V V Q2 V V V trasistor 2 Vmax V Comte teu de la disersio de caractéristiques our des trasistors de mêmes référeces, la olarisatio ar la grille est la lus mauvaise méthode our olariser le trasistor das la zoe liéaire car le oit Q est tro istable. Polytech'Nice ohia 8

9 JFET II.2 Polarisatio automatique I V R etite I R etite R I R moyee V R droite de charge (R moyee) R Q1 R grade Q2 Vmax V V Le courat circulat das le TEC et das R géère ue tesio : V = R I. Le courat de grille état ul, V = 0 doc V = R I. Le motage crée doc sa rore olarisatio e utilisat la tesio aux bores de R our olariser la grille e iverse. Polytech'Nice ohia 9

10 JFET II.3 Polarisatio ar diviseur de tesio I V R1 I R I droite de charge V R2 Q1 R Q2 Vmax V V R 2 V =V Le ot diviseur fourit ue tesio : R 1 R2 V V O e déduit la tesio V = V V et le courat I = avec R Polytech'Nice ohia 10 V 0

11 JFET II.4 Polarisatio ar source de courat I V I R I droite de charge V Q1 R Q2 P V Vmax V V Bie que la tesio V varie, le oit de olarisatio P reste fixe. Toutefois ce motage écessite ue secode source de tesio. Polytech'Nice ohia 11

12 JFET III Le TEC e régime dyamique Cette étude cosiste à aalyser le foctioemet d'u trasistor olarisé e zoe de saturatio lorsqu'o alique de etites variatios à l'ue des gradeurs électriques. I III.1 Modèle e régime dyamique V = 0 V I as la zoe liéaire, le TEC se comorte comme ue source de courat commadée ar la tesio V I = f(v, V). I = I V V i ds =g m vgs g ds v ds I V g m= v gs v ds=0 Polytech'Nice ohia V = 2 V V V = 3 V V = cste avec : i ds V = 1 V V V g ds = : trascoductace i ds v ds 12 v gs =0 V : admittace du drai

13 JFET O e déduit le schéma équivalet : I id vgs Q gds I vds gm.vgs V Les aramètres gm et gds euvet être détermiés sur le réseau de caractéristiques au oit de olarisatio du trasistor. V g m =ta Le aramètre gm eut aussi être calculé à artir de l'équatio : 'où our V = 0 : g mo= et our V 0 : Polytech'Nice ohia P 2 I V off g m=g mo 1 V V off 13 gm gds g ds =ta I =I 1 V V off 2 0,1 à 20 ma/v 1 à 10 µ (0,1 à 1 M )

14 JFET Lorsque la fréquece augmete, il faut redre e comte les caacités arasites. Toute joctio PN olarisée e iverse costitue u codesateur. Pour le TEC, o cosidère deux codesateurs arasites, l'u etre grille et source, l'autre etre grille et drai. id C C vgs C C gds gm.vgs vds La valeur de C est faible ( < F ), mais elle eut deveir très gêate ar effet Miller. Polytech'Nice ohia 14

15 JFET III.2 Motages fodametaux Comme our le trasistor biolaire, il existe trois motages tyes our le TEC. T biolaire émetteur commu collecteur commu base commue TEC source commue drai commu grille commue Polytech'Nice ohia 15 C. PETER V 3.0

16 JFET III.2.1 Motage source commue E I R Cle droite de charge statique Cls ve Rg droite de charge dyamique ete : 1/R vs R Rch C V R : résistace d'autoolarisatio V = VM VM = R I ve Rg droite de charge dyamique avec Rch E chéma équivalet e dyamique vgs gds Polytech'Nice ohia 16 gm.vgs R vs Rch

17 JFET III.2.2 Motage drai commu CLe ve source E désactivée E Rg CLs R Rg ve vs Rch Rg Polytech'Nice ohia gm.vgs gds vgs gds R 17 gm.vgs R R : résistace d'autoolarisatio V = VM VM = R I chéma équivalet e dyamique vgs ve vs vs Rch Rch

18 JFET III.2.3 Motage grille commue E R CLe Rg source E désactivée ve Cg CLs vgs vs Rch R ve gm.vgs R gds R vs Rch chéma équivalet e dyamique ve R vgs Polytech'Nice ohia gm.vgs gds R 18 vs Rch

19 JFET III.3 Proriétés des motages source C drai C grille C Z E R forte (> R ) faible (<<R ) Z A v moyee faible forte égatif fort (-100) ositif (1) ositif fort (100) Polytech'Nice ohia 19 C. PETER V 3.0

20 JFET IV Le TEC e commutatio aalogique O utilise le TEC comme u iterruteur. Pour obteir ce mode de foctioemet, la tesio V red seulemet deux valeurs : zéro ou ue valeur iférieure à V o f f. e cette maière le TEC foctioe e régio ohmique ou e blocage. Lorsque le TEC est bloqué, le courat I est ul, o eut doc cosidérer que le trasistor est équivalet à u circuit ouvert. Lorsque le TEC foctioe e régio ohmique, le trasistor se comorte comme ue résistace de valeur R (à coditio que V reste faible). Le TEC est doc équivalet au motage suivat : I R Pour V = 0, l'iterruteur est fermé. Pour V < V off, l'iterruteur est ouvert. Polytech'Nice ohia 20 C. PETER V 3.0

21 JFET VI.1 L'iterruteur shut R R I v i v out v i v out V R Pour V < V off, l'iterruteur est ouvert : V out = V i Pour V = 0, l'iterruteur est fermé. i R >> R, V reste faible doc le trasistor foctioe bie e zoe ohmique : V out 0. Polytech'Nice ohia 21 C. PETER V 3.0

22 JFET VI.2 L'iterruteur série R v i V R v out v R i v out Pour V < V off, l'iterruteur est ouvert : V out 0. Pour V = 0, l'iterruteur est fermé. i R >> R, V reste faible doc le trasistor foctioe bie e zoe ohmique : V out = V i. Le raort o off de l'iterruteur série est suérieur à celui de l'iterruteur shut. Raort o off = v out max v i mi Polytech'Nice ohia 22 C. PETER V 3.0

23 JFET VI.3 multilexeur aalogique R v out V 1 V 2 V 3 Polytech'Nice ohia 23 C. PETER V 3.0

24 MOFET Les MOFET sot des trasistors similaires au TEC à joctio, mais our lesquels la grille est totalemet isolée du caal. comosat uiolaire très faibles dimesios (techologie submicroique) très faible cosommatio fabricatio «simle» Comosats domiats e électroique umérique itégrée (mémoire, µrocesseurs, circuit mixtes). Polytech'Nice ohia 24 C. PETER V 3.0

25 MOFET I Les MOFETs I.1 Costitutio NMO métal isolat (oxyde) semicoducteur (substrat) I = 0 rille (olysilicium) rai / ource V>0 rai / ource é substrat Bulk B Ce MOFET foctioe e erichissemet Polytech'Nice ohia V>0 I 0 25 B créatio d'u caal d'électros

26 MOFET NMO à aauvrissemet I 0 rille (olysilicium) rai / ource V<0 rai / ource V> substrat Bulk B B Les charges ositives attirées sous la grille se combiet avec les charges égatives du caal et dimiuet aisi la coductivité du caal. Pour ue valeur suffisammet faible de V le courat I est ul. Polytech'Nice ohia 26

27 MOFET PMO à erichissemet / / B Polytech'Nice ohia 27 C. PETER V 3.0

28 MOFET I.2 ymboles, tesios et courats NMO B PMO B t e messi hci r et e messi r vua a B B B B ur la source, le ses de la flèche idique le ses réel du courat. Pour la luart des trasistors, le substrat est coecté à la source. Polytech'Nice ohia 28

29 MOFET I.3 Foctioemet V = 0 V < Vsat V > Vsat V>0 V>0 V>0 B B B as u trasistor NMO à erichissemet, le caal d'électros est crée ar ue tesio V ositive. Lorsqu'o alique ue tesio V, le caal se rétrécit du coté du drai. Pour V < Vsat, le trasistor foctioe e régime liéaire. Lorsque V augmete au delà de Vsat, Il y a icemet du caal. Le courat I est alors limité à ue valeur déedat de V. Le trasistor foctioe e saturatio. Polytech'Nice ohia 29

30 MOFET I.4 Réseaux de caractéristiques NMO à erichissemet Lorsque le substrat est relié à la source, o obtiet les caractéristiques suivates : I V V T V = 5 V I trasfert C L V = 3 V V = 5 V (saturatio) V = 2 V V = 1 V V faible zoe liéaire 5 V V off =V T V Pour que le MOFET à erichissemet coduise, il faut que V > V T. V T : tesio de seuil. Polytech'Nice ohia 30 C. PETER V 3.0

31 MOFET NMO à aauvrissemet Lorsque le substrat est relié à la source, o obtiet les caractéristiques suivates : I C V V T V = 2 V trasfert I L V = 1 V V = 0 V V = 5 V (saturatio) erichisseme t V = 1 V aauvrissemet 5 V V off =V T V Les réseaux de caractéristiques des PMO sot similaires, mais toutes les gradeurs sot égatives. Polytech'Nice ohia 31 C. PETER V 3.0

32 MOFET II Polarisatio Les motages de olarisatio utilisés our les MOFET sot similaires à ceux étudiés our les JFET. Exemles : V V R1 R I I V R V R2 R autoolarisatio MOFET à aauvrissemet V = 0 Polytech'Nice ohia R R olarisatio ar ot MOFET à erichissemet V > 0 32

33 MOFET III Le MOFET e régime dyamique Cette étude cosiste à aalyser le foctioemet d'u trasistor olarisé e zoe de saturatio lorsqu'o alique de etites variatios à l'ue des gradeurs électriques. III.1 Modèle e régime dyamique E zoe de saturatio, le réseau de caractéristiques I = f(v) état similaire our les JFET et les MOFET, le schéma équivalet e régime dyamique est idetique. id vgs gds gm.vgs Polytech'Nice ohia gm gds vds 33 0,1 à 50 ma/v 0,02 à 1 m (1 à 50 k )

34 MOFET III.2 Motages fodametaux O retrouve les trois motages fodametaux étudiés our les JFET : source commue, drai commu et grille commue. Exemles de motages source commue : V V R R1 CLs Cle ve R R Cle R vs C Rch ve R 2 R vs C Rch Les roriétés sot aalogues our u MOFET et u JFET. Polytech'Nice ohia 34

35 MOFET VI Le MOFET e commutatio A l'image des JFET, les MOFET euvet foctioer e commutateurs aalogiques suivat les motages étudiés récédemmet. Ue autre alicatio our ces trasistors réside das les circuits umériques. E effet, la tesio seuil rovoque u basculemet brutal de l'état bloqué à l'état saturé lorsque la tesio de grille asse de 0 à ue tesio suérieure à VT. Le MOFET est doc u comosat idéal our les circuits logiques. Rael : V V erichissemet NMO PMO >0 <0 >0 <0 aauvrissemet NMO PMO >0 <0 VT < 0 VT > 0 Les circuits logiques état alimetés avec ue tesio uique, il faut que les tesios V et V soiet de même olarité. as ces coditios, seuls les trasistors à erichissemet euvet foctioer e régime bloqué et saturé. Les circuits logiques sot doc réalisés avec des MOFET à erichissemet. Polytech'Nice ohia 35

36 MOFET VI.1 Commutatio à charge assive I V V = 5 V V/R R vout V = 3 V vi V = 2 V V = 1 V V our vi = 0, V = 0 doc I = 0 et vout = V. V our vi = V, V >> VT doc I 0 et vout 0 à coditio que R >> R (le trasistor foctioe e zoe ohmique). Ce circuit réalise ue foctio : iverseur. Polytech'Nice ohia 36

37 MOFET VI.2 Commutatio à charge active Afi de dimiuer la taille des circuits itégrés, les résistaces qui occuet ue surface imortate ot étés remlacées ar des trasistors. I V V = 5 V V = 3 V vout V = 2 V vi V = 1 V 1 5 V Le trasistor du haut se comorte comme ue résistace dot la valeur varie légèremet e foctio de la tesio à ses bores. Le foctioemet de ce circuit est idetique au récédet mais il occue ue surface lus etite. Polytech'Nice ohia 37

38 MOFET VI.3 Le CMO Afi de dimiuer la cosommatio, la résistace est remlacée ar u trasistor I comlémetaire. V = V V = V V vout V V PMO vi vout V NMO V vout vi V vi V 0 V 0 V V - V 0 Polytech'Nice ohia NMO PMO bloqué assat assat bloqué 38 vout V 0 La cosommatio d'ue cellule CMO est roortioelle à la fréquece de commutatio.

39 MOFET V Le MOFET de uissace Le MOFET de uissace est u comosat discret utilisé das les systèmes de commade des moteurs, lames, imrimates, alimetatio de uissace, amlificateurs, etc. C'est u MOFET à erichissemet. Pour accroître leur uissace limite, les géométries de caal sot modifiées (VMO, TMO, HEXFET). ammes de tesio et courat : 200 A, 1200 V, 700W. Le MOFET état u comosat uiolaire, il eut couer u fort courat beaucou lus raidemet que e eut le faire u trasistor biolaire. Lorsque la temérature augmete, la résistace R o du caal augmete égalemet. Il 'existe doc as de risque d'emballemet thermique. Il est doc ossible de coecter lusieurs trasistors MO e arallèle our augmeter le courat admissible. Polytech'Nice ohia 39 C. PETER V 3.0

40 MOFET V Précautios d'usage Z Z kv z V kv MO kv travailler sur ue table coductrice reliée à la terre. utiliser u bracelet coducteur relié à la terre. utiliser u fer à souder isolé du secteur dot la ae est reliée à la terre. e as stocker les circuits MO sur du olystyrèe exasé (utiliser de la mousse chargée e carboe). éviter de maiuler les circuits avec les doigts. certais circuits sot rotégés itérieuremet ar des diodes zeer. Polytech'Nice ohia 40 C. PETER V 3.0

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