EPE académie de Nantes Transistors a effet de champ ou transistors unipolaires 1. Principe de fonctionnement d un transistor à effet de champ (TEC 1 ou FET 2 ). 1.1 énéralités. Un transistor à effet de champ permet de commander l intensité d un courant à l intérieur d un semiconducteur par l intermédiaire d une différence de potentiels. L application de cette différence de potentiels crée un champ électrique interne qui a pour effet de modifier la section d un canal conducteur et par conséquent de modifier l intensité du courant qui le traverse. Aux extrémités du canal conducteur se trouvent deux électrodes appelées drain et source. La différence de potentiels de commande est appliquée sur une troisième électrode appelée grille. 1.2 TEC à appauvrissement (depletion) Le canal conducteur entre le drain et la source existe en l absence de différence de potentiels sur la grille. Plus la différence de potentiels entre la grille et la source augmente, plus la section du canal conducteur diminue et moins le transistor conduit. 1.3 TEC à enrichissement (enhancement) Le canal conducteur entre le drain et la source est créé par la tension appliquée entre la grille et la source car il n'existe pas en son absence. Plus la différence de potentiels entre la grille et la source augmente, plus la taille du canal conducteur augmente et plus le transistor conduit. Id rain Id rain Canal conducteur rille Zone dépeuplée d éléments conducteurs, créée sous l effet du champ électrique interne résultant de l application de la tension rille Canal conducteur créé sous l effet du champ électrique interne résultant de l application de la tension. ource ource 1 TEC : Transistor à Effet de Champ 2 FET : Field Effect Transistor 93_COUR_Tr_effet_champ 1 / 6 2/11/14
EPE académie de Nantes 1.4 Notion de canal. Le canal conducteur d un TEC est constitué à partir d un matériau semi-conducteur qui peut être de polarité N ou P. La polarité de la tension, qui bloquera ou rendra le transistor passant, changera selon la nature du canal. 2. Les différents types de transistors à effet de champ. L arbre ci-dessous recense les différentes familles de transistors à effets de champ. Transistors à effet de champ Transistors à effet de champ à jonction Transistors MO Appauvrissement Enrichissement impossible Appauvrissement Enrichissement Canal N Canal P Canal N Canal P Canal N Canal P On distingue deux grandes familles de TEC : Les TEC à jonction, dont la structure équivalente d entrée «rille-source» correspond à une diode polarisée en inverse. Il en résulte un courant de grille très faible. Les TEC MO (Métal Oxide emiconducteur) dont la structure équivalente d entrée «rille-source» est analogue à un condensateur. La première armature de ce condensateur correspond au contact métallisé de la grille, le diélectrique à la couche d oxyde de silicium et enfin la seconde armature au canal conducteur. Il en résulte un courant de grille quasi nul. 93_COUR_Tr_effet_champ 2 / 6 2/11/14
EPE académie de Nantes 3. Transistors à effet de champ à jonction (JFET 3 ) 3.1 ymboles. Il existe deux sortes de JFET : JFET à canal N JFET à canal P 3.2 Conventions et relations. Trois grandeurs suffisent à caractériser l état électrique d un TEC : La grandeur d entrée : eux grandeurs de sortie : I et. elon le type du canal, on adoptera les conventions suivantes : JFET à canal N JFET à canal P I I I > I < < I > I Quelque soit le type de canal, on a les relations suivantes : I = A I = I 3.3 Le TEC en commutation. Avertissement : eul le principe de fonctionnement d un JFET à canal N va être exposé par la suite. Pour un JFET à canal P, il suffira de considérer que la polarité des tensions, et le sens du courant I sont inversés par rapport à ceux d un JFET à canal N. En fonction de la valeur de la tension, trois régimes de fonctionnement sont possibles pour un JFET. Le régime de blocage, Le régime d amplification, Le régime de saturation. euls les régimes de blocage et de saturation, qui correspondent à un fonctionnement en commutation du JFET, vont être abordés. 3 JFET : Junction Field Effect Transistor 93_COUR_Tr_effet_champ 3 / 6 2/11/14
EPE académie de Nantes 3.3.1 Le régime de blocage d un JFET. Ce régime est obtenu en appliquant P, P étant la tension de pincement du canal. Le courant I est nul et le JFET est bloqué. Lors du blocage, le transistor présente une très grande résistance entre le drain et la source et il peut alors être modélisé par un interrupteur en position ouverte. I = I = CC CC P P Condition de blocage d un JFET : P I = et = CC 3.3.2 Le régime de saturation d un JFET. Ce régime est obtenu en appliquant une tension nulle en. Le transistor présente alors une très faible résistance R ON entre le drain et la source. Il ya donc circulation d un courant I = I AT, limité par CC la valeur de la charge commutée Rc et celle de R ON, soit IAT. R R ON C I = I AT I = I AT CC R ON CC = = Condition de saturation d un JFET : = I = I AT R CC ON R C et = R ON I AT 93_COUR_Tr_effet_champ 4 / 6 2/11/14
EPE académie de Nantes 4. Les transistors à effet de champ MO. 4.1 énéralités. Les transistors MO ont des applications de plus en plus nombreuses. Ils sont utilisés pour obtenir des montages présentant une résistance d'entrée très élevée (1 12 ) ou pour faire des interrupteurs analogiques avec des courants de fuite très faibles. A l'état passant, le transistor présente une résistance R ON très faible. L'isolation parfaite de la grille permet aux charges électrostatiques de s'accumuler dans celle-ci. Il peut apparaître une différence de potentiels suffisante pour qu'un arc électrique détériore la grille. Ce phénomène est connu sous le nom d E 4. Les dommages se traduisent par une fragilisation du composant, une altération des performances ou le non fonctionnement. Il est indispensable de prendre toutes les précautions pour éviter l'apparition de charges électrostatiques lors de la manipulation des composants (matériaux antistatiques, mise à la terre des postes de travail et des personnes, ionisation de l'air...). 4.2 ymboles et caractéristiques. Il existe quatre types de transistors MO FET: Les transistors MO à enrichissement dont le canal est initialement inexistant et auxquels il faut appliquer une tension sur la grille pour les rendre conducteurs. Remarque : Il ne faut surtout pas apprendre les symboles et courbes, mais être capable de les interpréter et les retrouver dans une documentation technique. MO FET canal N à enrichissement MO FET canal P à enrichissement I > > I TH I < < TH I Les transistors MO à appauvrissement dont le canal est initialement existant et auquels il faut appliquer une tension sur la grille pour les bloquer. MO FET canal N à appauvrissement MO FET canal P à appauvrissement I I TH I > > I < < TH 4 E : Electrical-tatic ischarge 93_COUR_Tr_effet_champ 5 / 6 2/11/14
EPE académie de Nantes 4.3 Les MOFET en commutation. Avertissement : eul le principe de fonctionnement d un MOFET à canal N va être exposé par la suite. Pour un MOFET à canal P, il suffira de considérer que la polarité des tensions, et le sens du courant I sont inversés par rapport à ceux d un MOFET à canal N. 4.3.1 Le régime de blocage d un MOFET : A enrichissement. Pour bloquer un MOFET à enrichissement, il suffit d appliquer une tension de grille TH, TH étant la tension seuil en dessous de laquelle le courant I devient nul. Lors du blocage, le transistor présente une très grande résistance entre le drain et la source et il peut alors être modélisé par un interrupteur en position ouverte. A appauvrissement. Pour bloquer un MOFET à appauvrissement, il suffit d appliquer une tension de grille. TH Condition de blocage d un MOFET : A enrichissement : A appauvrissement : TH TH I = et = CC 4.3.2 Le régime de saturation d un MOFET : A enrichissement. Pour saturer un MOFET à enrichissement, il suffit d appliquer une tension de grille TH, TH étant la tension seuil en dessous de laquelle le courant I devient nul. Lors de la saturation, le transistor présente une très faible résistance R ON entre le drain et la source. Il y a donc circulation d un courant I = I AT, limité par la valeur de la charge commutée et celle de R ON, A appauvrissement. Pour saturer un MOFET à appauvrissement, il suffit d appliquer une tension de grille,. TH Condition de saturation d un MOFET : A enrichissement : A appauvrissement : TH TH I = I AT R CC ON R C et = R ON I AT 93_COUR_Tr_effet_champ 6 / 6 2/11/14