• Comparaison avec le transistor bipolaire :

Le transistor à effet de champ (TEC)

Field Effect Transistor (FET)

Présentation générale

• Transistor à effet de champ se présente comme une résistance variable commandée par une tension extérieure

• Comparaison avec le transistor bipolaire :

– fonctionnement lié au déplacement d'un seul type de porteur (porteur majoritaire)

– Très forte impédance d’entrée (M Ω )

– Facteur de bruit inférieur au transistor bipolaire Transistor à canal N

Transistor PNP

G

D

S

G

D

Présentation générale

• Constitution du TEC à canal N

Sur un substrat de type P (Grille) fortement dopé (P⁺) sont déposées : Une zone N faiblement dopée qui constitue le canal

Deux zones N fortement dopées (N⁺) qui constitue des bornes d’entrée (Source) et de sortie du canal (Drain)

• Elément actif à 3 accès :

Grille (G) : électrode de commande,

N⁺ P⁺ N⁺

Canal Substrat Grille (G)

Drain (D)

P⁺ N Source (S)

Fonctionnement du transistor à canal N

• V

= 0 V (grille et source reliées) – V

= 0 V

• V

= 0 V (grille et source reliées) – V

≥ 0 V faible

N⁺ P⁺ N⁺

G D

P⁺ N S

Zone de charge d’espace

La mise en contact des zones P et N donne naissance à des zones de charges d’espace qui diminuent la largeur effective du canal

La jonction grille drain est polarisée en inverse – Les zones de charge d’espace augmentent – Si V_DS faible, le canal se comporte comme une résistance R_DS

N⁺ P⁺ N⁺

G

D S

Fonctionnement du transistor à canal N

• V

= 0 V (grille et source reliées) – V

≥ 0 V élevée

Si V_DS la section conductrice du canal diminue R_DS et le courant I_D entre le drain et la source commence à être limité – Lorsque les deux zones de charge d’espace se rejoignent le canal est pincé (V_DS = V_p)

N⁺ P⁺ N⁺

G

D

P⁺ N

S

Zone de charge d’espace

Zone ohmique I_D

V_GS= 0 I_DSS

V_DSmax= tension de rupture

Zone de saturation Si V_DS > V_p I_D constant

zone de saturation du transistor

Fonctionnement du transistor à canal N

• V

< 0 V – V

= 0 V

Si |V

| l’épaisseur du canal se rétrécit – le canal est totalement pincé lorsque V

= -V

• V

< 0 V – V

> 0 V

Si |V

| < Vp le canal ne peut être complètement fermé le courant I

qui circule dépend de V

et V

Si V

> V

= Vp – V

le courant I

n’augmente plus

Caractéristiques statiques du TEC à canal N

• La caractéristique de transfert est tracée lorsque le transistor est dans la zone de saturation

V_GS1

V_GS2 I_D

V_DS > 0 V_GS= 0 I_DSS

V_P

Zone de saturation

V_P+V_GS2

Zone ohmique

V_GS < 0 -V_P ^VGS1

Caractéristique de transfert Caractéristique de Kellog

V_GS2

V_P+V_GS1

Paramètres statiques du TEC

Paramètres obtenus en considérant le montage suivant :

Paramètres d’entrée : I

et V

Paramètres de sortie : I

et V

La tension V

est toujours négative

la jonction Grille-Source est polarisée en inverse donc I

≈≈≈≈ 0

FTEC I_G

V_GS

I_D

V_DS TEC

Grille

Source Source

Drain

Paramètres statiques du TEC

• Loi de variation du courant I

Zone ohmique : V

< V

= V

+ V

avec V

> 0 et V

< 0

Zone de saturation : V

> V

1 ^{avec V}

> 0 et V

< 0

• Résistance Grille-Source

la jonction Grille-Source est polarisée en inverse donc I

≈≈≈≈ 0

≈≈≈≈ 10 M Ω Ω Ω Ω très grande

Paramètres statiques du TEC

• Résistance Drain Source

dépend de la zone d’utilisation du TEC

• Pente de la caractéristique I

= f(V

) dans la zone de saturation

!

avec 1

"

#

$

#

Pour V

= 0 I

= I

g

= g

(valeur maximale) Pour –V

< V

< 0

$

#

Polarisation du TEC à canal N en zone de saturation

Objectif de la polarisation : Fixer les valeurs des tensions V

, V

et du courant I

pour l’utilisation du transistor en alternatif

Conditions à respecter : –V

< V

≤ 0 et V

≥ 0

++++ avec I_G très faible (I_G ≈≈≈≈0) &

R_Gélevée

R et R servent à limiter le continu

R_D

V_DD> 0

R_S R_G

I_G

I_D

I_S

G S

D Exemple : polarisation automatique en zone de saturation

Polarisation du TEC à canal N – Droite de polarisation

'()*+,-. /0 1* /2-,+0 /0 3-1*2,4*+,-.

or I

≈≈≈≈ 0 et &

R_D

V_DD> 0

R_S R_G

I_G

I_D

I_S S D

Exemple : polarisation automatique en zone de saturation

V_GS

V_DS

I_DSS

-V V

1 56

57

I_D0

Polarisation du TEC à canal N – Droite de charge statique

Equation de la droite de charge statique

Car &

8

9

Equation de la droite de charge statique

R_D

V_DD> 0

R_S R_G

I_G

I_D

I_S S D

Exemple : polarisation automatique en zone de saturation

V_GS

V_DS

V_GS0

V_GS2 I_D

V_GS= 0 I_DSS

I_D0

Le TEC en régime dynamique

• Schéma équivalent du TEC en alternatif dans la zone de saturation Le transistor est considéré comme un quadripôle

• Le quadripôle est décrit en utilisant les paramètres admittances : ;

< ;

<

;

< ;

< avec < <

i_G

v_GS

i_D

v_DS i_G

i_D

v_GS

v_DS G

D

S

• Schéma équivalent du TEC en alternatif dans la zone de saturation

=_{>> ?}^?@ A

? B= ^?@

? A

C

>

D =_>> & 0 car jonction Grille Source polarisée en inverse

=_{> ?}^?@ A

? B= ^?@

? A

C =_> & 0 car jonction Grille Source polarisée en inverse

= _{> ?}^?@ A

? B= ^?@

? A

C F_G pente de la caractéristique I_D = f(V_GS)

= _?^?@ A

? B= ^?@

? A

C

>

D

Le TEC en régime dynamique

Schéma équivalent du TEC en alternatif BF

• Schéma équivalent général

H

$ <

< ^$ <

• Schéma équivalent simplifié

I

→ ∞ et I → ∞

!

i_G

v_GS

i_D

v_DS

R_GS g_mv_GS R_DS

G D

S

i_G

v_GS

i_D

v_DS G

g_mv_GS

D

Amplificateur à TEC à polarisation automatique

• Montage source commune

Les accès d’entrée et de sortie sont et

Les capacités C₁, C₂ et C_s sont des capacités de découplage

1 2

R_L C₂ 2

R_D

V_DD> 0

R_S R_G

S D

R_g

1 ^C₁

v₁(t) v₂(t)

C_S e_g(t)

Etude statique du montage (théorème de superposition)

• Schéma équivalent en continu

Le point de fonctionnement du transistor est imposé par les éléments du montage

I

, V

et V

sont fixés

R_D

V_DD> 0

R_S R_G

I_G

I_D

I_S S D

Détermination des droites d’attaque et statique de sortie (voir diapositives 12 et 13)

V_GS

V_DS

• Schéma électrique en régime sinusoïdal

• Schéma équivalent (R

et R

sont négligées)

Etude dynamique du montage (théorème de superposition)

R_L R_D

R_G

S D

R_g

v₁(t)

v₂(t)

e_g(t)

i₁(t)

i₂(t)

i_G

v_GS

i_D

v_DS G

g_mv_GS

S

D

R_G R_g

R_L R_D

v₁(t)

e_g(t)

v₂(t)

i₁(t) i₂(t)

Etude dynamique du montage (théorème de superposition)

• Droite de charge dynamique

(d’après le schéma de la diapositive 19)

La droite de charge dynamique ∆∆∆∆ est la droite passant par le point de fonctionnement de coordonnées (I

, V

) et de pente

D_L MM D

D_L9 D D_L D

équation de la droite de charge dynamique

Une petite variation de la tension d’entrée v

(t) autour de V

entraine des variations de courant i

autour de I

et de

N

L9 D

O

O I

I

I

I QN 5

R

t

V_GS0

V_GS2 I_D

V_DS > 0 V_GS= 0 I_DSS

V_GS < 0 -V_P ^{VGS0 VDS0}

I_D0

v_GS(t)

t i_D(t)

t

Droite de charge dynamique

v_DS(t)

Analyse du circuit : application du théorème de superposition

U

V Q R

S

T Q R

Caractéristiques électriques de l’amplificateur en fonctionnement alternatif

i_G

v_GS

i_D

v_DS G

g_mv_GS

S

D

R_G R_g

R_L R_D

v₁(t)

e_g(t)

v₂(t)

i₁(t) i₂(t)

Gain en tension G

W W

Gain en courant G

W

Résistance d’entrée R

Résistance de sortie R

!

Autres types de montage

R_L C₂ 2

R_D

V_DD> 0

R_S R_G

S D

R_g

1 C₁

v₁(t) v₂(t)

e_g(t)

• Montage drain commun

• Grille commune

R_L

2

C₂ R_D

V_DD> 0

R_S

S D

R_g

1 C₁

v₁(t) G v₂(t)

Comportement du TEC à haute fréquence

• Si la fréquence augmente, des capacités parasites intrinsèques au transistor C

, C

et C

interviennent

Les deux premières sont du même ordre de grandeur (qq pF), la dernière plus faible peut être négligée

i_G

v_GS

i_D

v_DS

C_GS g_mv_GS R_DS

G D

S C_GD

Fin