Les transistors à effet de champ

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1 Les transistrs à effet de champ Préliminaires Les transistrs biplaires, bien que tujurs très utiles en électrnique, snt malgré tut caractérisés par un certain nmbre de défauts, cmme leur faible impédance d entrée et le fait qu n puisse les cnsidérer cmme des surces de curant cmmandées en curant. Il existe une autre famille de transistr qui, eux, présentent l avantage de présenter une très frte impédance d entrée et dnt l état dépend d une tensin, et nn d un curant, ce qui fait d eux des surces de curant cmmandées en tensin. Ce snt les transistrs à effet de champ. I. Les transistrs à effet de champ à jnctin Acrnymes : JFET (Junctin Field Effect Transistr) TEC (Transistr à Effet de Champ) Un JFET est cnstitué d un "canal" de silicium dpé et de deux znes dpées différemment qui l'enturent. Ces deux znes snt reliées entre elles et frment la rille P () du transistr. eux cntacts dépsés sur le canal frment sn rain () et sa urce () N P Le dessin ci-cntre représente un JFET Canal N. ymbles : JFET Canal N JFET Canal P 1

2 II. Caractéristiques des transistrs à effet de champ Prenns l'exemple d'un JFET Canal N. Principe de fnctinnement : Le canal N, entre le drain et la surce, cnstitue un dipôle qui sera cnducteur 1 seln la valeur de la tensin vv appliquée entre la grille et la surce. E, effet, la présence d'une ddp négative entre la grille et la surce crée un effet électrstatique dans le canal. On a : i V C V 0 : Canal rain-urce cnducteur i V V c : Canal rain-urce blqué. La tensin VV CC est une caractéristique eu transistr. On l'appelle la tensin de blcage. Pur un JFET Canal N, elle est de l'rdre de 5VV. Lrsque le transistr est cnducteur, il peut présenter deux types de fnctinnement seln la tensin VV entre le rain et la urce. i 0 VV VV PP, le canal rain-urce se cmprte cmme une résistance. Le curant de drain est prprtinnel à VV. Le facteur de prprtinnalité est appelée résistance du canal RR, et dépend de la tensin VV. On dit que le transistr fnctinne dans sa zne résistive u hmique. i VV VV PP, le curant II devient quasiment cnstant et indépendant de VV. On dit que le transistr fnctinne dans sa zne linéaire, car les variatins de II snt prprtinnelles à VV. La tensin VV PP est appelée tensin de pincement du transistr. Elle est de l'rdre de 2 à 3VV pur un JFET Canal N. 1 Canal drain-surce cnducteur : il existe un curant nté II, appelé curant de drain (même s'il sera aussi le curant de surce) qui circule entre et. 2

3 e plus, pur une valeur de VV dnnée, le curant de drain varie en fnctin de la tensin VV seln la li : II = II 1 VV VV CC 2. Le curant II, aussi nté II mmmmmm, est une fnctin crissante de VV. L'ensemble du fnctinnement d'un JFET Canal N est résumé sur le réseau de caractéristiques suivant. Le transistr apparait bien cmme un dipôle cmmandé par la tensin VV. (RANJON, 1998) Pur un transistr Canal P, le principe de fnctinnement reste le même, à ceci près que tus les signes des curants et tensins divent être inversés. III. Plarisatin des JFET RAPPEL : Plariser un transistr = le placer dans un mntage de telle srte que sn pint de fnctinnement sit situé dans sa zne de fnctinnement linéaire. Il faut dnc avir VV VV PP. Ex: Plarisatin par résistance de drain. II RR Rq : L'impédance d'entrée du transistr étant très élevée, le curant de rille du transistr est très faible. Il est, la plupart du temps, négligé. II 3

4 i VV est dnné, la caractéristique II = ff(vv ) est entièrement déterminée parmi tutes les curbes du réseau de caractéristiques. (cnditins internes) e plus, l'applicatin des lis de l'électrnique (li des mailles, li d'ohm) permet d'écrire : II = VV. (cnditins externes). RR On truve le pint de fnctinnement en traçant la drite de charge et la caractéristique. Il crrespnd à l'intersectin des deux curbes. i n suhaite effectivement plariser le JFET dans sa zne linéaire, n chisira RR de srte que ce pint sit tel que VV VV PP. (RANJON, 1998) IV. chéma équivalent en régime linéaire Cmme pur le transistr biplaire, le JFET est utilisé pur réaliser des amplificateurs. ans ces mntages, n explite les prpriétés de fnctinnement linéaire, cmme la prprtinnalité entre le curant de drain et la tensin VV, qui met l'accent sur la particularité de ce transistr d'être parcuru par un curant cmmandé par une tensin. uppsns le transistr plarisé dans sa zne linéaire. i n superpse un petit signal vv gggg à la tensin de plarisatin VV, des variatins ii dd et vv dddd apparaitrnt alrs auturs des valeurs cntinues de plarisatin II et VV. On mntre que : ii dd = ss. vv gggg + vv dddd ρρ (Cette relatin sera admise), avec : ss = pente dynamique du transistr = transcnductance de l'rdre de 10 3 pur les JFET usuels ρρ = résistance dynamique de srtie du transistr, généralement cnsidérée cmme. 4

5 On btient alrs le schéma équivalent suivant : ii gg ii dd vv gggg ρρ ss. vv gggg V. Transistrs MO Il existe de nmbreuses variantes des JFET, destinés à des applicatins diverses. L'une d'entre elle rassemble les transistrs à effet de champ appelés transistr MO (Metal Oxyde emi-cnductrs), u encre MOFET. Pur ces transistrs, la grille est islée du canal par une cuche islante d'xyde de silicium. Le curant de grille est alrs rigureusement nul. Le principe de fnctinnement est sensiblement similaire à celui du JFET. Cmme précédemment, il existe deux types de MOFET, les transistrs MO Canal N (MON) et les transistrs MO canal P (MOP) dnt les symbles snt dnnés ci-dessus : MON MOP VI. Transistrs et Prtes Lgiques 1. Transistrs en cmmutatin RAPPEL : Fnctinnement en cmmutatin : passage de cnducteur à blqué et de blqué à cnducteur. Ce mde de fnctinnement est à la base de la réalisatin des prtes lgiques. 5

6 Pur les transistrs MO, n a : MOFET Canal N : Blqué si VV = 0VV Cnducteur si VV = 5VV MOFET Canal P : Blqué si VV = 0VV Cnducteur si VV = 5VV Un transistr blqué est équivalent à un interrupteur uvert entre le drain et la surce, un transistr cnducteur est équivalent à un interrupteur fermé entre le drain et la surce. Rq : Les temps de cmmutatin ne snt pas nuls et snt à l'rigine des temps de prpagatin des prtes lgiques. 2. Technlgies : TTL/CMO Les prtes lgiques TTL (Transistr Transistr Lgic) snt fabriquées à l'aide de transistrs biplaires. Ces prtes snt très gurmandes en énergie, en raisn de la faible impédance d'entrée des transistrs. e plus, ces derniers snt cmmandés par un curant, alrs que les niveaux lgiques snt représentés par des niveaux de tensin. En revanche, ils snt rapides. Les prtes lgiques CMO (Cmplementary Metal Oxyde emicnductr) snt à base de MOFET, qui cnsmment très peu d'énergie (impédance d'entrée ). Ils snt de plus cmmandés en tensin. e plus, même s'ils réputés être plus lents que les transistrs biplaires, et grâce aux prgrès technlgiques, snt la plupart du temps suffisamment rapides pur la plupart des applicatins curantes de l'électrnique numérique. 6

7 3. Exemples de prtes en technlgie CMO Pur analyser de tels circuits, il faut se demander si les transistrs snt cnducteurs u nn. Il faut dnc exprimer pur chacun d'entre eux la tensin VV, les tensins d'entrée étant égales sit à OOOO, sit à (= 5VV ici). a. Prte NON TT 1 VV IIII TT 2 TT 1 est un MOP, TT 2 est un MON. i VV IIII = 0VV : TT 1 : VV 1 = VV IIII = 5VV : le transistr est cnducteur TT 2 : VV 2 = VV IIII 0 = 0VV : le transistr est blqué On peut alrs redessiner un schéma équivalent en remplaçant les transistrs par des interrupteurs. Ce qui dnne : ans ce cas, la srtie est directement reliée au ptentiel. On a dnc : =. Rq : On peut remarquer que sur le schéma équivalentinterrupteurs que la grille n'apparait plus. Cela n'est pas tut à fait vrai, puisque c'est le ptentiel appliqué en qui détermine l'état des transistrs (cnducteur u blqué) TT 1 TT 2 7

8 i VV IIII = 5VV : TT 1 : VV 1 = VV IIII = OOOO : le transistr est blqué TT 2 : VV 2 = VV IIII 0 = 5VV : le transistr est cnducteur. On peut alrs redessiner un schéma équivalent en remplaçant les transistrs par des interrupteurs. Ce qui dnne : TT 1 ans ce cas, la srtie est directement reliée à la masse. On a dnc : = 0VV. TT 2 b. Prte NAN On purrait raisnner de la même façn que précédemment pur déterminer la tensin de srtie en fnctin des tensins VV aa et VV bb appliquées sur les entrées a et b a PP AA b PP BB des transistrs. Il y a cependant des méthdes plus rapides. Tut d'abrd, si n bserve bien a le schéma, n peut remarquer qu'il y a un étage cmprenant uniquement des transistrs MOP et un secnd cmprenant uniquement des transistrs b MON. e plus, n vit que, si les MOP snt en parallèle, les MON snt en série. Les deux étages snt cmplémentaires. Cette cmplémentarité assure une srtie NN AA NN BB cmplètement définie. Ainsi, si l'étage MOP n'est pas cnducteur, l'étage MON le sera et inversement. Il suffit alrs d'étudier une seule partie du mntage. Par exemple, ici, la srtie sera reliée à si PP AA u PP BB est cnducteur. On sait qu'un MOP est cnducteur 8

9 si sa tensin VV est égale à 5VV. Il faut dnc VV aa = VV bb = 0VV. Ce qui nus permet d'établir l'équatin suivante : = aa + bb = aa. bb, sit l'équatin d'une NAN. c. Prte NOR On peut ainsi cncevir une prte NOR en raisnnant cmme précédemment. On btient le schéma suivant : a b a b 9