Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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  Symboles des différents transistors à effet de champ    Bas de page  




Les Transistors à Effet de Champ - T.E.C. ou F.E.T. :





Dans cette leçon, nous allons examiner la structure et le fonctionnement du transistor à effet de champ puis nous aborderons la composition interne des portes logiques suivant les différentes technologies existantes.



1. - LE TRANSISTOR À EFFET DE CHAMP


On a coutume de le désigner par ses initiales : T.E.C. ou F.E.T. (terme anglo-saxon : Field-Effect-Transistor).

Il est constitué d'un barreau semi-conducteur uniformément dopé (de type P ou N), constituant le canal.

Sur ce barreau sont réalisées deux jonctions opposées, comme illustré sur la figure 1, de conductibilité inverse de celle du canal.




Structure_du_transistor_a_effet_de_champ_a_jonctions.gif




Ces deux zones sont reliées entre elles électriquement à une électrode commune appelée porte ou grille.

Une extrémité du canal reçoit le nom de source, l'autre celui de drain.

Le canal est faiblement dopé, alors que les zones qui constituent la grille le sont fortement.

La grande différence pour ce transistor, réside dans le fait que la jonction grille-source est polarisée en inverse (tension VGS).

L'espace drain-source reçoit une tension de polarisation (tension VDS).

Le principe de fonctionnement est le suivant :

  En l'absence de tension grille-source (VGS), le canal conduit proportionnellement avec l'augmentation de la tension VDS.

  Pour une certaine valeur de VDS, le courant cesse de croître et devient constant. C'est la tension de pincement ou Vp (tension de pinch-off).

Le courant dans le canal est appelé ID et lorsqu'il atteint la saturation, il devient IDSS.

  Si maintenant on applique une tension VGS à l'espace grille-source (polarisation de la jonction en inverse) et que l'on relève, comme précédemment, la valeur de ID en fonction de VDS, on constate pour ce courant, des valeurs plus faibles.

  La tension Vp est atteinte plus tôt et correspond à un courant ID moins élevé que IDSS.

Cette nouvelle tension Vp' est égale à :   Vp' = Vp - VGS

Plus VGS augmente, plus le courant ID diminue. A partir d'un certain seuil de VGS, le courant ID s'annule.

On considère généralement que le courant ID devient égal à zéro pour :

VGS = Vp.

Tout se passe comme si le champ électrique, créé par la tension de polarisation inverse de la jonction grille-source, diminuait la largeur de conduction du canal. C'est la zone de déplétion ou d'appauvrissement.

La figure 2 schématise ce phénomène.




Fonctionnement_du_transistor_a_effet_de_champ.gif 




Sur la figure 3 sont portés les caractéristiques et les points importants qui concernent le TEC.

Caracteristiques_du_transistor_a_effet_de_champ_a_jonctions.gif



La zone Nombre_1.gif correspond à la partie linéaire de la caractéristique, le courant ID croît linéairement avec VDS (pour une VGS donnée). Cette zone est utilisée en commutation.

La zone Nombre_2.gif est celle de la saturation et est utilisée en amplification.

La zone Nombre_3.gif est interdite car elle représente le phénomène d'avalanche.

La tension d'avalanche est notée BVDG en non BVDS (BV = break-down voltage, ce qui signifie tension de rupture ou claquage).

En fait, il s'agit du claquage de la diode drain-grille. Celui-ci se produisant toujours pour une même différence de tension entre le drain et la grille (pour un type de transistor défini). Cette différence est donnée par la relation :

BVDG = VDS + VGS

Lorsque VGS = 0, cette tension BVDG est égale à VDS.

Si on maintient VDS à une même valeur et que VGS augmente (vers les valeurs négatives), BVDG va diminuer. C'est ce qui apparaît sur le réseau de caractéristiques.

D'autre part, selon les types de transistors, Vp s'échelonne entre 0,5 et 15 volts.

La tension BVDG varie entre 3 et 25 fois Vp, toujours en fonction du type de transistor.

Il faut noter que la conduction, dans ce type de transistor, est presque symétrique. Sur la figure 3, on constate que toutes les caractéristiques passent par l'origine et qu'autour de celle-ci, pour des VDS faibles, les caractéristiques se prolongent, vérifiant bien la symétrie de conduction (pour des VDS de signes opposés).

A l'intérieur de certaines limites, la permutation entre drain et source n'entraîne pas de modification du fonctionnement.

Cependant, les électrodes sont repérées par le constructeur afin de minimiser certains effets capacitifs, permettant ainsi d'utiliser au mieux ce dispositif.

Ces capacités sont les suivantes :

  • CDS  (entre drain et source)

  • CGS  (entre grille et source)

  • CGD  (entre grille et drain)

Ce sont les deux dernières les plus importantes. Par construction, elles sont atténuées, obligeant l'utilisateur à différencier la source du drain.

Dans la zone Nombre_1.gif de la figure 3 qui correspond au fonctionnement en commutation avec VDS < Vp, le transistor réagit comme une résistance variable en fonction de VGS.

La valeur minimum de cette résistance est obtenue pour VGS = 0 (correspondant à l'interrupteur fermé) et prend l'appellation de Ron (Résistance minimale à l'état conducteur).

La valeur maximum est obtenue pour VGS > Vp (deuxième état de l'interrupteur, c'est-à-dire ouvert).

  • R  minimum ou Ron : interrupteur fermé (VGS = 0)

  • R  maximum : interrupteur ouvert (VGS > Vp).

Il existe un autre type de transistor à effet de champ qui porte le nom de transistor MOS (Metal - Oxyde - Semi-conducteur) ou MOST (T pour transistor).

Celui-ci est très répandu dans les circuits intégrés où il tend à se généraliser, aux dépens du transistor bipolaire, pour des raisons de consommation.

La figure 4 représente la structure d'un tel transistor qui diffère du TEC. En effet, il ne possède pas de jonction au niveau de la grille, un masque d'oxyde isole celle-ci du canal, d'où le nom qu'on lui donne parfois de : tension de grille isolée.

Structure_MOS_a_enrichissement_canal_N.gif

Le fonctionnement est le suivant :

En appliquant une tension positive sur la grille, les électrons (porteurs minoritaires dus à l'agitation thermique) du substrat (dans le cas de la figure 4, il s'agit d'un matériau P), sont attirés entre les zones de matériau N, constituant la source et le drain. A cet endroit, la concentration en électrons constitue un enrichissement qui se traduit comme une inversion de la conductibilité du substrat passant ainsi du type P au type N. Un courant s'établit entre source et drain.

Aux variations de VGS correspondent des variations de ID. En l'absence de tension VGS, le courant ID est très faible (pratiquement nul).

Le substrat est, en général, porté à la tension la plus négative, afin que les jonctions source-substrat et drain-substrat soient polarisées en inverse.

Ce type de MOS est dit enrichissement (en anglo-saxon : enhancement mode).

La figure 5 représente la structure d'un transistor MOS à appauvrissement.

Structure_MOS_a_appauvrissement.gif 

Le fonctionnement de ce dernier est différent, en ce sens qu'en l'absence de tension VGS, nous constatons un courant ID (comme pour le TEC).

En effet, le canal constitué par une mince zone de matériau N située sous la grille, est conducteur en l'absence de tension VGS. Si on applique une tension négative sur la grille, les électrons libres de la zone du canal seront repoussée, par le champ électrique, dans le substrat, ce qui a pour conséquence la diminution de ID. Si on augmente la tension VGS, le courant ID s'annule.

Là encore, il semble que la conductibilité du matériau s'inverse, par appauvrissement des porteurs majoritaires.

Si en l'absence de tension VGS, on fait en sorte que le courant ID soit maintenu à une valeur moyenne, en appliquant sur la grille une tension VGS positive, les électrons du substrat (porteurs minoritaires -----> agitation thermique) vont venir renforcer la conductibilité de la fine couche de matériau N et le courant ID va devenir plus important.

On réalise donc avec cette technique des transistors MOS fonctionnant selon les deux modes :

  • enrichissement

  • appauvrissement.

Ce fonctionnement est rendu possible à cause de la couche isolante d'oxyde qui sépare la grille du canal.

La figure 6 représente les caractéristiques de ce type de transistor ainsi que les zones d'utilisation.

Caracteristiques_du_transistor_MOS.gi

Ces transistors possèdent une impédance d'entrée très élevée (due à l'isolement de la grille). La résistance en conduction (Ron) est faible (quelques dizaines d'ohms) et leur résistance à l'état bloqué, très élevée (plusieurs mégohms).

Ces caractéristiques permettent, entre autre, de les utiliser en logique. Le circuit de commande ou d'entrée (la grille) est bien séparé du circuit de sortie et les deux états, bloqué ou conducteur, sont très nettement différenciés.

Bien que le substrat possède une action évidente sur la conduction des MOS (moins que la grille toutefois), il est, en général, relié intérieurement au boîtier. On le réunit extérieurement, par câblage, à la source.

Sa consommation moindre que celle du transistor bipolaire et sa tenue en tension meilleure sont autant d'atouts en sa faveur. Par contre, il est un peu plus lent. L'impédance d'entrée, très élevée, le rend vulnérable aux charges électrostatiques, ce qui oblige les constructeurs à protéger son entrée et les utilisateurs à prendre plus de précaution lors des manipulations. Une fois le transistor mis en place sur le circuit, il n'y a plus de risque à ce sujet.

La figure 7 représente les symboles de ces différents transistors à effet de champ.

Representation_symbolique.gif

 

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