Les transistors à effet de champ à jontion

J - FET

Les transistors à effet de champ à couche d'oxyde de silicium

MOS - FET

 

Méthode d'analyse (NOM - SYMBOLE - FONCTION - ...)

Une grande diversité

Du côté technologique

Caractéristiques des FET

Extrait d'un DATA BOOK

Les montages à transistors FET

a) Les circuits de polarisation

b) les FET en commutation

c) Les FET en amplification

 

Selon la Méthode d'analyse, M. J.Neuenschwander
SYMBOLES*	CANAL N            J-FET                                       MOS-FET  à                         MOS-FET  à                                                          appauvrissement                  enrichissement CANAL P            J-FET                                       MOS-FET  à                         MOS-FET  à                                                          appauvrissement                  enrichissement        D: DRAIN       G: GRILLE       S: SOURCE       B: SUBSTRAT
FONCTION*	Un transistor à effet de champ permet de commander un "grand" courant drain - source IDS à l'aide d'une tension de commande grille - source UGS. Un canal dopé (P ou N) entre Drain et Source est rendu +/- conducteur par une jonction PN entre Grille et Source polarisée en inverse. C'est une commande en tension car il n'y a pratiquement aucun courant demandé par la grille.
SPECIFICATIONS TYPES*	Puissance maximale PFET MAX. [W] Caractéristique de transfert IDS = f (UGS) Tension Drain - Source maximale UDS MAX. [V] Courant Drain - Source maximal IDS MAX. [A] Le courant de grille est pratiquement nul IG @ pA
TECHNOLOGIE	Tous les transistors actuels sont à base de silicium. Par contre, les mêmes boîtiers peuvent contenir soit des transistors soit un autre composant. Rien ne permet de les distinguer. Le contact mécanique avec le châssis de l'appareil est important pour le refroidissement et doit être réalisé avec soin.
UTILISATIONS	Petits signaux : Utilisés pour l'amplification en radio et vidéo fréquences. Egalement pour la commande et commutation. Grands signaux : Présents dans les montages finaux (amplis de puissance) et dans les alimentations en interrupteurs de puisssance.
METHODE DE CONTRÔLE*	Les J-FET ne supportent pas les ohmmètres à aiguilles. Les MOS-FET sont eux sensibles aux décharges électrostatiques. La mesures des principales caractéristiques tensions - courants est réalisable sans trop de difficultés mais demande un grand nombre de manipulations.

Il n'est peut-être pas inutile de préciser ici qu'un bon praticien professionnel a besoin de connaître "par coeur" les indications suivies de l'astérisque * pour une pratique efficace du dépannage des circuits électroniques.

Une grande diversité

Ces transistors sont surtout connus par leurs abréviations. Nous rencontrons actuellement une dizaine de technologies, donc de types de fabrication, différentes. Parmis tous les transistors FET existants, nous citerons les types ci-dessous.

 

Transistors FET à CANAL N

               J-FET                   MOS-FET à appauvrissement                  MOS-FET à enrichissement   

 

Transistors FET à CANAL P

               J-FET                   MOS-FET à appauvrissement                  MOS-FET à enrichissement

Tous ces transistors ont un DRAIN, une SOURCE, une GRILLE et un CANAL plus ou moins conducteur.

Nous verrons plus loin que la tension grille-source UGS commande le courant de drain IDS.

Le principe technologique qui constitue ces transistors est pour tous le même. Les transistors FET sont bel et bien des éléments où la notion de transfert est présente. Une tension d’entrée commande un courant de sortie. Autrement dit, un courant important est commandé par une tension grâce aux effets des champs électriques existants à l'intérieur du transistor FET.

Les symboles sont représentatifs de leur construction, et donnent une indication sur la polarité des tensions nécessaires au fonctionnement des transistors FET.

Du côté technologique

Au contraire des transistors bipolaires conventionnels (PNP et NPN), ces transistors à effet de champ assurent la conduction du courant de drain par un canal plus ou moins conducteur composé d'un seul types de porteurs de charges mobiles (voir page du site Introduction à l'électronique / Théorie des semi-conducteurs ). Nous pouvons dire que ce sont des transistors unipolaires.

La variation de la conductibilité du canal est obtenue par l'action du champ électrique provoqué par la polarisation de la grille, ou plus exactement par la tension de commande grille-source UGS. Ce qui signifie qu'aucun courant ne circule entre grille et source. La grille est même isolée du canal dans le cas des transistors MOS.

Par exemple, nous voyons le principe de fabrication d'un transistor MOSFET à enrichissement, canal N. Sur un barreau de silicium P, deux zones N sont diffusées pour former le drain et la source. Le barreau P forme également un condensateur avec la grille dont le diélectrique est la couche d'oxyde.

Lorsque la grille est rendue positive par rapport à le source, les électrons du barreau sont attirés dans la zone située entre le drain et la source. Par cet artifice, un canal de type N est créé entre la source et le drain. Si une tension est appliquée entre le drain et la source, un courant de drain ID circulera.

En variant la tension de commande UGS, la densité des électrons dans le canal change. Ce qui signifie que le courant de drain varie ou que la résistance de passage du drain est modifiée, ce qui revient au même.

Tous les transistors FET reposent sur le même principe de fonctionnement. Une tension de commande UGS entraîne un champ électrique qui modifie la conduction du canal conducteur. Nous pouvons deviner qu'un transistor à enrichissement canal P sera constitué avec des zones de dopage inversées par rapport au dessin ci-dessus.

De toute évidence, la polarité des alimentations de chaque transistor FET sera dépendante de sa fabrication. Cela se remarque sur les réseaux caractéristiques des différents FET (voir plus loin l'extrait du data-book).

Pour la maintenance, il est utile de savoir qu'un transistor FET à jonction ne supporte un courant direct grille-source très faible. Généralement, la mesure de la jonction grille-source à l'aide d'un ohmètre à aiguille conventionnel suffit à détruire le J-FET.

Quant au MOS-FET, ils sont sensibles aux décharges électrostatiques. Bien qu'actuellement des systèmes de protections sont intégrés, un technicien peut se trouver à un potentiel statique suffisant pour détruire le MOS-FET uniquement par le toucher, lors d'un remplacement par exemple.

Caractéristiques des FET

Il découle de leur fabrication certaines propriétés électriques utiles pour l’utilisation des FET.

1. Pratiquement aucun courant de commande IGS @ 0A (de l'ordre du pico ampère). En effet, la grille est isolé du canal conducteur. Ce qui signifie que l'impédance d'entrée est élevée et que la puissance de commande nécessaire est très faible.

2. Le courant de drain ID est dépendant de la tension de commande UGS. La relation entre le courant ID et la tension UGS représente ce que nous appelons la fonction de transfert, noté

ID = f (UGS).

En fait, la relation entre le courant de drain ID et la tension de commande UGS est quadratique, et nous pouvons accepter la relation suivante:

Beaucoup de fabricants donne IDSS et UGS BLOCAGE ce qui permet, avec cette formule, de calculer le courant ID pour toute tension UGS.

Cette relation est valable pour les J-FET et les MOS-FET à appauvrissement.

Pour les MOS-FET à enrichissement, les fabricants nous donnent facilement les valeurs du courant de drain ID (passant) pour une tension UGS (passant) .

Dans ce circuit, aucun courant ne traverse RG ce qui entraîne que la tension VDS se retrouve vers la grille et de ce fait

UGS = UDS. Dans ce cas, nous pouvons appliquer la relation:

Extraits d'un DATA BOOK

Les extraits d'un data-book ci-dessous nous renseignent entre autre sur la polarité de commande de chaque FET ainsi que sur le courant ID circulant lorsque UGS vaut 0V.

Dans la pratique de maintenance, il est souvent utile d'estimer la valeur des tensions (ou potentiels) aux bornes d'un FET, afin d'en déceler un éventuel dysfonctionnement.

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Les montages à transistors FET

L'utilisation des transistors à effet de champ est immense. Nous les rencontrons utilisés en amplifications petits signaux (HF,BF), en amplification de puissance (HF,BF), en commutation et en technique intégrée.

Toutefois, les exemples d'utilisations choisis ci-dessous vont permettre au lecteur de se faire une idée sur le genre de circuits que nous pouvons rencontrer dans les appareils de l’électronique grand public. Nous y avons indiqués parfois quelques formules permettant de déterminer les tensions et courants présents dans le montage.

a) Les circuits de polarisation

Nous rappelons ici que la polarisation consiste à alimenter en tensions et courants continus de manière à amener les éléments actifs au point de repos Q.

b) les FET en commutation

Les transistors MOS sont souvent utilisés en technique intégrée grâce à leur grande rapidité de commutation. Il n'est pas rare de rencontrer des circuits intégrés numériques fabriqués en technique MOS.

c) Les FET en amplification

Le signal qui transite dans les montages amplificateurs à FET, comme pour les transistors bipolaires, représente des petites variations des tensions et courants autour du point de repos Q.

Le cas ci-contre du MOS-FET le démontre bien. La polarisation nulle entraîne un courant de drain de repos IDQ, et le signal fait varier ce courant.

Pour l'exemple du montage J-FET ci-dessous, la valeur de RS détermine la valeur du courant de repos IDQ au croisement de la caractéristique ID = f (UGS). Dans ce montage, UGS est égal à -UDS (car IG @ 0A). Nous pouvons tracer sur la caractéristique une droite partant de l'origine et représentant 1/RS. Le croisement avec la caractéristique du J-FET nous donne le point de repos Q.

Les variations autour du point Q, correspondent à une variation qui s'effectuerait sur la tengeante de la caractéristique. Dans ce cas, nous pouvons utiliser la relation

Dans cette relation, gm représente la trans-conductance du J-FET. En réalité, les fabricants donne une valeur maximale de la transconductance (lorsque UGS = 0V), notée gm0. De là, nous pouvons accepter les deux relations suivantes:

Formules valables pour le montage du J-FET ci-dessus.

De plus, ce qui intéresse souvent le dépanneur c'est de connaître la modification en amplitude du signal entre l'entrée et la sortie du montage.

Nous verrons plus loin dans l'étude des montages amplificateurs à transistors que le gain en tension Au dépend fortement de la valeur des résistances du circuit drain - source RD et RS.

Les exemples de montages amplificateurs qui suivent donnent un échantillon de ce que nous pouvons renconter. Le dernier schéma présenté est un amplificateur audio complet dont "l'étage final" est réalisé avec deux transistors FET, schéma présenté dans la revue élector du mois de décembre 1993.