Chapitre 9: Le transistor à effet de champ (FET)

Le transistor bipolaire est le composant essentiel de l'électronique linéaire. Son fonctionnement repose sur deux types de charges, les trous et les électrons. D'où son qualificatif de bipolaire.

Le transistor bipolaire convient le mieux pour de nombreuses applications linéaires. Mais le transistor unipolaire est meilleur dans le cas de certaines applications. Le fonctionnement d'un transistor unipolaire dépend d'un seul type de charges, les trous ou les électrons.

Le transistor à effet de champ (FET “Field Effect Transistor”) est un exemple de transistor unipolaire. Les “FETS” sont des dispositifs commandés par tension par opposition aux transistors bipolaires qui sont commandés par courant. 

1.      Notions fondamentales 

  

Un transistor FET est composé d'un barreau de silicium dopé N et de deux îlots, d'un matériau type P, noyés dans ses flancs. 

La partie inférieure du dispositif s'appelle la source parce que les électrons libres pénètrent dans le dispositif par cet endroit.

La partie supérieure s'appelle le drain parce que les électrons libres quittent le dispositif par cet endroit.

Les deux régions P sont connectées intérieurement et s'appellent La grille.

Remarquer le petit espace entre les régions P. Les électrons libres doivent passer par cet endroit (canal) lorsqu'ils migrent de la source au drain.

La largeur du canal est importante : elle détermine le courant qui traverse le FET. 

Il existe aussi des “FETS” canal P. Un FET canal P comprend un barreau de silicium dopé P et deux îlots d'un matériau de type N. 

2.      Polarisation d'un FET

  

Pour un FET canal N, un courant d'électrons libres circule de la source vers le drain. Puisque les électrons doivent passer par le canal, le courant drain dépend de la largeur de ce canal.

La grille est polarisée négativement pour empêcher tout courant de grille et aussi pour rétrécir le canal. Plus la tension de grille est négative, plus le canal est étroit.

Si nous appliquons sur la grille (gate en anglais) une tension fortement négative par rapport à la source, le transistor sera bloqué. Si nous rendons de moins en moins négative cette tension, le transistor commencera à conduire entre Drain et Source. La commande d'un FET s'effectue donc en tension 

2.1.   Tension de blocage grille-source 

Lorsque la tension grille est suffisamment négative, le canal conducteur disparaît. Cela bloque le courant drain. La tension de grille qui bloque le courant drain est appelée VGS blocage ou VGS off

Exemple : VGS blocage = - 3.5 V pour le FET 2N5951

2.2.   Courant grille de fuite 

La jonction grille-source étant une diode au silicium polarisée en inverse, seul un petit courant inverse la traverse. Idéalement le courant grille est nul. Donc tous les électrons libres provenant de la source vont au drain. Autrement dit, le courant drain égale le courant source.

Le courant le plus significatif d'un FET est le courant source-drain noté ID et habituellement appelé le courant drain. 

2.3.   Caractéristiques de drain 

  

Elle ressemble à la caractéristique d'un transistor bipolaire sauf qu'en abscisse nous avons la tension VDS et en ordonnée le Courant ID. La vraie différence ne se situe dans le type de commande. Sur le transistor bipolaire nous commandions le courant IC par le courant IB. Ici nous commandons ID par la tension VGS (tension entre Grille et Source). La tension VDS pour laquelle le courant se stabilise est appelée tension de pincement (VP) 

Ceci est fondamental, un FET se commande en tension. Remarquez que le transistor conduit pour des tensions négatives de VGS. Plus la différence entre grille et source diminue, plus le transistor débite.

Quelques remarques sur cette caractéristique : 

1 - La tension VGS doit passer (sur cet exemple de 0 à -3V) pour faire débiter le transistor de son courant maximal à presque rien. Il faut donc une assez grande excursion du signal d'entrée pour procurer une grande variation de ID. 

2 - Le FET se commande donc en tension, l'impédance d'entrée est très élevée, aucun courant (ou presque) n'est consommé sur l'étage précédent (normal Zi est très grand). 

3 - Cette caractéristique de Drain ressemble beaucoup à la caractéristique de collecteur du transistor bipolaire. On y trouve une zone de saturation, une zone active et une zone de blocage. 

4 - Dès que l'on a quitté la zone de saturation, la région active est très plate et le transistor est utilisable sur une grande plage de VDS. Au-delà d'une certaine valeur de VDS, la jonction entre dans la zone de claquage et le courant augmente rapidement.

2.4.   Grande résistance d'entrée 

L'une des grandes différences entre un FET et un transistor bipolaire est son impédance d'entrée aux basses fréquences. Comme la grille ne tire aucun courant, la résistance d'entrée d'un FET s'élève à plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de mégohms. 

3. Les caractéristiques tension-courant du FET :

VGS : tension entre grille et source. C'est la tension de polarisation du FET qui va commander le courant qui va s'écouler du drain vers la source. Ce courant est appelé Id 

VDS : tension entre drain et source, identique au concept VCE 

VGS (blocage) ou VGS off : tension pour laquelle le transistor est bloqué et ne débite plus 

ID : courant qui circule entre Drain et source 

IDSS : courant de drain quand la grille est court-ciruitée, c-à-d VGS = 0. Ce courant représente le courant maximum que peut débiter le transistor. 

Caractéristique de transconductance :

La caractéristique de transconductance permet de calculer le courant de drain ID pour toute tension grille-source VGS

  

 Il y a une petite formule qui synthétise le tout : 

VGS

ID = IDSS ( 1 - --------------------- ) 2

    VGS blocage 

4. Les différentes polarisations d’un transistor FET:

Comme vous vous en doutez, il y a plusieurs techniques pour polariser un transistor FET. Pour polariser convenablement ce type de transistor, nous devrons tenir compte de ses qualités et de ses défauts. 

Un des défauts majeurs du FET est que son courant IDSS varie d'un modèle à un autre dans de grandes proportions, le constructeur étant incapable d'assurer une fourchette stable de caractéristiques sur une même série. Il faudra donc concevoir une polarisation qui élimine ce critère. 

La polarisation automatique :

Voici le schéma. On a placé une résistance de charge dans le drain, une résistance de source RS et une résistance RG qui a pour tâche de mettre la grille à la masse. Comme un courant négligeable circule dans cette résistance la chute de tension est pratiquement nulle et la grille est bien au potentiel de masse. 

Comment la polarisation s'effectue t'elle alors ? Nous savons que ID dépend de VGS, donc c'est la tension présente à la source du transistor qui va le polariser (VGS = VG -VS). 

  

Supposons que pour une raison ou une autre Id augmente, cela va provoquer une augmentation de la chute de tension aux bornes de RS (VRS= ID x RS). Cette tension sera positive, conséquemment la tension VGS va devenir plus négative puisque VGS = VG - VS. Ceci aura pour effet de diminuer Id, le but recherché est atteint. 

Droite de polarisation : 

La grille est au potentiel de masse, donc VG =0.

La source est au potentiel Vs= ID x RS

La tension VGS = VG – VS 

VGS = 0 - ID x RS

VGS = - ID RS 

Si VGS = 0 alors ID = 0

Si VGS = -1 alors ID = 1/ RS

Si VGS = -2 alors Id = 2/ RS

Etc.

On démontre que la droite de polarisation a pour pente -1/ RS.

Voilà comment sera polarisé notre transistor à effet de champ. Le point de repos R sera positionné comme suit : 

ID = 4 mA

Pour VGS = -1,5 V 

  

Autre forme de polarisation, la polarisation par pont diviseur et résistance de source :

Comme pour le transistor bipolaire, nous allons utiliser cette polarisation qui a toutes les qualités (ou presque !)

Toutefois la stabilisation du point de repos par ce procédé sera quand même moins efficace que sur un transistor bipolaire 

Déterminons la valeur de la tension de grille par rapport à la masse. 

     R2

VG = -------------- x Vcc

R1 + R2  

Déterminons la tension présente à la source Vs

VS = VG – VGS 

Déterminons le courant drain ID

VG – VGS

ID = -----------------

     RS 

La tension sur le drain sera égale à

VD = VCC – RD x ID

  

Et une application :

  

Soit le montage suivant, on se propose de déterminer les courants et tensions sachant que VGS = -1V. Nous cherchons à déterminer Id, calculons pour commencer la tension présente sur la grille VG.  

Nous avons un pont de 2 résistances identiques, la tension sera égale à VCC / 2 soit 6 V.

Nous savons (c'est l'exposé) que VGS = -1V, donc nous pouvons calculer ID 

VG – VGS                     6 - (-1)

ID= ------------------ =  --------------------- = 1,25 mA

     RS                            5600 

Calculons la chute de tension aux bornes de RD:

VRD = RD x ID = 1000 x 0,00125 = 1,25 V

La tension VDS s'établit à VDS = VCC - RDID - RSID = 3,75 V 

5. Et le FET en amplification ?

(Source commune)

Le transistor est fait pour amplifier des signaux et le FET ne déroge pas. Nous allons faire une étude simplifiée sur le montage source commune qui est au FET ce que l'émetteur commun est au bipolaire.

Nous avions pu établir quelques formules approximatives et simples pour le bipolaire car nous pouvions évaluer la valeur approximative de la résistance en alternatif de la jonction base-émetteur. Pour un FET, nous utiliserons une autre valeur déterminée par le constructeur et appelée Transconductance. 

La transconductance notée gm  indique la capacité qu'à la grille de commander le courant drain en dynamique. Elle s'exprime en Siemens (pratiquement en µS ou µW-1) et est donnée pour chaque type de transistor à effet de champ. gm représente les variations de ID par rapport à VGS

Plus gm est grand plus la commande de grille aura d'influence sur ID. gm est donnée pour un courant déterminé. D'autre par, gm croit avec ID 

Le gain en tension A d'un amplificateur à FET est donné par :

A = - gm RD

Notez que les transistors FET se caractérisent par une très grande impédance d'entrée (plusieurs Mégohms) 

Et si nous reprenons notre exemple précèdent sachant de gm = 3000 µS, nous pourrons calculer facilement notre amplification à vide, c-à-d sans charge. 

A = - gm RD

A = -3000 10-6 x 1000 = 3

(Ce n'est pas un gros amplificateur!) 

  

  

Ce qu’il faut retenir est que la commande s'effectue en tension et non pas en courant comme pour le transistor bipolaire. 


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