Electronique AnalogiqueTransistor à effet de champ en statique

Présenté par: Boubkar BAHANI

Année : 2019/2020

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PLAN

• Transistor à effet de champ à jonction (JFET)

Fonctionnement de base

Symboles du transistor à effet de champ à jonction (JFET)

• Caractéristiques et paramètres du JFET

Tension de pincement

Contrôle de ID par VGS

Tension de blocage et de pincement

Courbe Caractéristique OU Caractéristique de Transfert du JFET

Transconductance directe du JFET

Résistance d'entrée et de Drain - Source

• Polarisation du JFET

Polarisation automatique

Polarisation par diviseur de tension

3

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Fils

conducteurs

Source

Drain

Grille

Source

Drain

Grille

Structure de base d'un transistor à effet de champ à jonction (JFET) :

a) Canal N b) Canal PReprésentation de la structure de base des deux types de JFET

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Symboles du transistor à effet de champ à jonction (JFET)

Symboles schématiques de FET à jonction

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

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Grille

N N

Drain

VDS > 0

P

PSource

VGS < 0

Conditions normales de fonctionnement : VGS < 0 et VDS > 0

Fonctionnement de base du JFET à canal N:

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Source

N

VGS = 0

VDS = 0

Drain

Cas n°0 : VGS = 0 et VDS = 0

P

Grille

P

Zce

Zce

En l’absence de polarisation, création des 2 zones d’appauvrissement

Faisons varier

VDS

V

V

V

V

Source

N

VGS = 0

VDS > 0

Drain

Cas n°1 : VGS = 0 et VDS > 0

P

Grille

P

Zce

Zce

Rajout de VDG

V

V

V

V

Polarisation inverse plus forte du côté drain

Vdg

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Source

N

VGS = 0

VDS > 0

Drain

P

Grille

P

Zce

Zce

V

V

V

V

Elargissement de

la ZCE du côté

du drain

Rajout de VDG

Cas n°1 : VGS = 0 et VDS > 0Polarisation inverse plus forte du côté drain

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Source

N

VGS = 0

VDS > 0

Drain

IdP

Grille

P

Zce

Zce

V

V

V

VFonctionnement en

zone ohmiqueId = f(Vds)

Elargissement de

la ZCE du côté

du drain

Rajout de VDG

Cas n°1 : VGS = 0 et VDS > 0Polarisation inverse plus forte du côté drain

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Fonctionnement en zone ohmique

VDS (V)

Id (mA)

VGS = 0La pente de la courbe dépend :

•du dopage du canal,

•de la longueur du canal,

•de la section du canal.

Que se passe t’il si on

augmente VDS ?

Cas n°1 : VGS = 0 et VDS > 0

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Source

N

VGS = 0

VDS = Vp

Drain

Cas n°2 : VGS = 0 et VDS = Vp

IdP

Grille

P

Zce

Zce

Pincement du canal au niveau du drain

Fonctionnement en

Zone de

pincement

Id tend à se

stabiliser

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Cas n°2 : VGS = 0 et Vds = Vp

Fonctionnement en zone de pincement

VDS (V)

Id (mA)

VGS = 0

Id tend :

• à augmenter car VDS est grand,

• à diminuer à cause de

l’étranglement qui freine le passage des

électrons.

Que se passe t’il si on

augmente encore VDS ?

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Source

N

VGS = 0

VDS > Vp

Drain

Cas n°3 : VGS = 0 et VDS > Vp

IdP

Grille

P

Zce

Zce

Etranglement du canal au niveau du drain

Fonctionnement en

Zone de

saturation

Id devient constant

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Cas n°3 : VGS = 0 et VDS > Vp

Fonctionnement en zone de saturation

VDS (V)

Id (mA)

VGS = 0

Id est constant car il existe un canal

minimal laissant passer les porteurs

Que se passe t’il si on fait

varier VGS ?

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Source

N

VGS < 0

VDS > 0

Drain

Cas n°4 : VGS < 0 et VDS >= 0

P

Grille

P

Zce

Zce

VGS influence la taille du canal indépendamment de VDS

VGS = 0 V

VGS = -0.5 V

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Source

N

VGS < 0

VDS > 0

Drain

Cas n°4 : VGS < 0 et VDS >= 0

P

Grille

P

Zce

Zce

VGS influence la taille du canal indépendamment de VDS

VGS = 0 V

VGS = -0.5 V

VGS = -1 V

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Cas n°4 : VGS < 0 et VDS > 0

Accentuation de l’effet de pincement

VDS (V)

Id (mA)

VGS = 0 VLa valeur de VGS < 0 influence

directement le pincement du canal et

le phénomène de saturation de Id

VGS = -0.5 V

VGS = -1 V

Fonctionnement de base

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

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Fonctionnement de base

JFET à canal N polarisé

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION (JFET)

Le FET à jonction Jonction PN Grille-Source en polarisation Inverse.

Polarisation inverse à la jonction Grille-Source avec tension négative sur Grille

Zone d'appauvrissement dans jonction PN, s'étendant jusqu'au canal N

Résistance en réduisant la largeur du canal.

Largeur du canal, donc Résistance du canal,

peut être contrôlée en variant la tension de grille et

Contrôler ID (Courant Drain).

VGG Fournit la tension de

Polarisation Inverse entre

Grille et Source.

VDD Donne une tension entre Drain et

Source

Courant du Drain vers Source

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CARACTÉRISTIQUES

ET

PARAMÈTRES DU JFET

21

CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

Soit : VGS = 0 V Court-circuiter G et S et reliées à la masse

A mesure que VDD (donc VDS) est au-delà de 0 V

ID proportionnellement à travers le matériau type N entre A et B.

Dans cette région, la résistance du canal est essentiellement constante.

Région appelée la Région Ohmique.

a) JFET avec VGS = 0 V et un VDS (VDD) variable. b) caractéristique de drain.

La courbe caractéristique du drain d'un FET à jonction pour VGS = 0, illustrant le pincement.

Au point B courbe s'aplatit et ID = constante. A mesure que VDS de B en C

VGD produit une région d'appauvrissement assez large ID = constante.

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Tension de pincement

Pour VGS = 0 V

Valeur de VDS pour laquelle ID = Cte (point B) Tension de Pincement (VP).

Si VDS au-dessus de VP ID = Cte = IDSS (Drain to Source current with gate Shorted).

IDSS est le courant du Drain maximal qu'un JFET donné sur les fiches techniques.

Claquage survient au point C lorsque ID très rapidement si VDS

a) Lorsque VDS = 0, ID = 0

CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

b) ID augmente proportionnellement avec VDS (région

ohmique)

Production de la courbe caractéristique d'un JFET pour VGS = 0 V.

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Tension de pincement

CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

c) Lorsque VDS = VP, ID = IDSS. d) Si VDS augmente, ID demeure à IDSS jusqu'au claquage

Production de la courbe caractéristique d'un JFET pour VGS = 0 V.

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Contrôle de ID par VGS

A mesure que VGS devient plus négative par l'ajustement de VGG, une famille de courbes caractéristiques de

drain est produite.

ID pendant que VGS devient plus négative, dû au rétrécissement du canal.

Pour chaque augmentation de VGS, le JFET atteint le Pincement pour des valeurs de VDS plus petites que VP.

Donc ID est contrôlée par VGS

a) JFET polarisé à VGS = -1 V. b) Courbes caractéristiques de drain.

Le pincement survient à une valeur de VDS plus faible pendant que VGS devient plus négative

CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

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Tension de blocage

VGS ID 0 : Tension de blocage : VGS(off)

Le JFET doit être utilisé entre VGS = 0 V et VGS(off)

Pour un JFET à Canal P Requiert valeur de VDD négative et VGS positif.

JFET à canal P polarisé

CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

FET à jonction à canal N plus VGS est négative, plus ID dans région à courant cte.

Pour une valeur négative suffisante de VGS ID 0

Blocage causé par l'élargissement de la zone d'appauvrissement

obturation complète du canal.

FET à jonction en blocage

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Comparaison entre pincement et blocage

CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

une différence importante entre Pincement et Blocage.

VGS(off) = VP

Exemple : Fiche technique VGS(off) = -5 V VP = +5V

Exemple 8-2 :Un JFET à canal P possède un VGS(off) = +4 V. Que vaut ID lorsque VGS = +6 V ?

Exemple 8-1 :Pour le JFET de la figure ci-dessous, VGS(off) = -4 V et IDSS = 12 mA. Déterminez VDDmin requise pour faire

fonctionner le transistor dans la région à courant constant.

27

CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

VGS compris entre 0 et VGS(off) contrôle ID

ID = 0 lorsque VGS = VGS(off)

Et ID = IDSS lorsque VGS = 0

Forme de la Courbe Caractéristique d'un JFET Fonction exponentielle exprimée par :

Courbe caractéristique d'un JFET à canal N

Courbe caractéristique OU Caractéristique de Transfert du JFET

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CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

Développement de courbe caractéristique d'un JFET à canal N (à gauche)

à partir des caractéristiques de drain (à droite).

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CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

Fiche technique du JFET

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CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

Transconductance directe du JFET

Transconductance directe de transfert ou Transconductance gm est :

La Variation (ΔID) par rapport à la Variation de (ΔVGS) pour un VDS = Constant

Sur une fiche technique on donne la valeur de gm mesurée à VGS = 0 V (gm0)

Exemple : la fiche technique du JFET 2N5457 donne gm0 de 1000 µS pour VDS = 15 V.

Si gm0 est donné Calcul valeur approximative de gm par l’expression :

Si gm0 n’est pas donné Calcul par valeur de IDSS et VGS(off) :

Exemple 8-3 :La fiche technique du FET à jonction 2N5459 (figure précédent) indique comme valeurs types que IDSS = 9 mA

et VGS(off) = -8 V (maximum). Déterminez le courant de drain si VGS = 0 V, -1 V, et –4 V.

gm s’exprime en Siemens (S)

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CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

Exemple 8-4 :On retrouve les informations suivantes sur la fiche technique du FET à jonction 2N5457. Valeurs typiques :

IDSS = 3,0 mA, VGS(off) = -6 V maximum et yfs(max) = 5000 µS. Déterminez la transconductance directe et la

valeur de ID lorsque VGS = -4 V.

Variation de gm en fonction du point d'opération (VGS).

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Résistance d'entrée

Résistance d'entrée de la grille est très élevée

Avantage du JFET sur le transistor bipolaire.

Résistance d'entrée peut être Calculée par :

Résistance Drain - Source

Courbe caractéristique du drain au-dessus du pincement, ID constant pour une variété de VDS.

Variation importante de VDS ne produit qu'un tout petit changement de ID.

Rapport de ces Variations Résistance Drain-Source (r’ds) :

CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DU JFET

33

POLARISATION

DU JFET

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Polarisation automatique

POLARISATION DU JFET

Résistance de grille RG n'affecte pas la polarisation (aucune chute de tension à ses bornes). Grille demeure à

0 V.

Polarisation automatique de JFET (IS = ID dans tous les FET)

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Polarisation avec point Q Centré

Pour un fonctionnement dans la Région linéaire, on polarise un JFET près du milieu de sa caractéristique de

transfert, là où ID = IDSS / 2.

On montre que : ID IDSS / 2 lorsque VGS = VGS(off) / 3,4

POLARISATION DU JFET

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Analyse graphique d'un JFET sous polarisation automatique

Un FET à jonction sous polarisation automatique et sa courbe caractéristique de transfert

Caractéristique de transfert d'un JFET et certains paramètres

Point Q (ID , VGS)

Soit le circuit ci-dessous :

Si courbe non fournie

La tracer d'après son expression en utilisant valeurs données de IDSS et VGS(off)

POLARISATION DU JFET

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Déterminer Q du circuit :

• Calcul de VGS lorsque ID = 0 : VGS = -ID . RS = -(0) . (470 W) = 0 V.

Point origine sur le graphique (ID = 0 , VGS = 0).

• Trouver IDSS sur fiche technique. D'après courbe, IDSS = 10 mA.

• Calcul VGS lorsque ID = IDSS : VGS = -ID . RS = -(10 mA) . (470 W) = -4,7 V.

Second point sur le graphique (ID = 10 mA, VGS = -4,7 V).

Traçage de la droite de charge statique sur le graphique.

Point d'intersection entre droite de charge statique et caractéristique de transfert Point Qdu circuit.

Intersection droite de charge statique et caractéristique de transfert définie le point Q

POLARISATION DU JFET

Point Q (5,07 mA, -2,3 V)

Vérification :

Pour = ID = IDSS / 2

VGS = VGSoff / 3.4 = -8 / 3.4 = -2,35 V

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Polarisation par diviseur de tension

POLARISATION DU JFET

Polarisation par diviseur de tension : VS du JFET doit être plus positive que VG

Conserver la jonction GS en polarisation inverse.

Un JFET à canal N sous polarisation par diviseur

de tension (IS = ID)

Tension de Grille déterminée par diviseur de tension R1 et R2 :

Tension Grille - Source : VGS = VG - VS

Tension de Source : VS = VG – VGS

Courant Drain exprimé par :

En substituant VS :

Tension de Source : VS = ID . RS

Fin

39

40

Solution 8-1 :

VGSoff = - 4 V VP = 4 V

VDSmin = VP = 4 V

Région à I constant et VGS = 0 V ID = IDSS = 12 mA

VRD = RD . ID = 12m . 560 W = 6,72 V

Circuit drain :

VDDmin = VDSmin + VRD = 4 + 6,72 = 10,7 V

Solution 8-2 :

VGSoff = 4 V

VGS = 6 V > VGSoff ID = 0 A

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Solution 8-3 :

VGS = 0 V ID = IDSS = 9 mA

VGS = -1 V ID = IDSS . [1 - (VGS / VGSoff)]² = 9m . [1 - (-1 / -8)]² = 6,89 mA

VGS = -4 V ID = 9m . [1 - (-4 / -8)]² = 2,25 mA

Solution 8-4 :

gm0 = yfs = 5000 µS

gm = gm0 . [1 - (VGS / VGSoff)] = 5000 . [1 - (-4 / -6)] = 1667 µS

ID = IDSS . [1 - (VGS / VGSoff)]² = 3m . [1 - (-4 / -6)]² = 333 µA