LE TRANSISTOR JFET CANAL N Structure et caractéristiques Zone ohmique et de coude Zone de saturation Polarisation Schéma aux petites variations et aux fréquences moyennes JFET canal P JFET canal N : montages fondamentaux Philippe ROUX © 2004 TRANSISTOR J.F.E.T. CANAL N 1) DIODE POLARISEE EN INVERSE + Considérons en figure 1 une diode PN au silicium polarisée en inverse par une tension Vinv . IS Si N Si P Z.C.E. Cathode W= Vinv Nd V = Na Anode 2 0 si q ( 1 1 + )(V + Vinv ) Na Nd kT N a N d ln( 2 ) q ni W Figure 1: Diode bloquée et sa Z.C.E. d’épaisseur W = f (Vin ) De part et d’autre de l’interface entre le silicium P et le silicium N, se développe une zone de charge d’espace (Z.C.E.) dont l’épaisseur W est proportionnelle à la racine carrée de la tension Vinv . Cette Z.C.E. est une zone quasi-isolante. Le fonctionnement du transistor JFET canal N exploite la présence de cette zone. 2) STRUCTURE ET CARACTERISTIQUES DU JFET CANAL N Dans un barreau de silicium N (figure 2), dont les extrémités constituent le drain et la source du dispositif, on a réalisé la diffusion de deux zones de silicium de type P formant la grille. Sous la zone de grille se trouve le canal N du JFET. Le silicium N du canal est donc pris en “sandwich” par la grille en silicium P. + Grille ID VDS D P ID G VGS + Drain VDS positive VGS négative IS = ID Source canal N N Grille Z.C.E. Si N Si P S Figure 2 : JFET canal N Comme le montre la figure 3, les deux zones de charge d’espace des deux diodes PN à cathode et anode communes peuvent moduler l’épaisseur du canal sous l’action d’une tension VGS négative. Drain Si P Si P Canal Grille Grille Si N Source Z.C.E. Figure 3 : Coupe au niveau du canal Z.C.E. 1 En fonctionnement normal, la tension VDS doit être positive alors que la grille doit être absolument polarisée négativement par rapport à la source sous peine de destruction du composant (diode grille source alors en direct et courant correspondant excessif). Les caractéristiques de sortie ID = f (VDS) à VGS constante présentent deux régions (figure 4) : • • Ohmique et de “coude” pour VDS < VDS saturation = VGS - VPincement Saturation ou de “plateau” (VDS > VDS sat) Caractéristique de transfert G VGS Négatif zone ohmique et de coude 10 10 9 9 8 IDSS 8 D 7 7 ID 6 6 5 VDS Positif 4 5 3 3 2 2 S 1 zone de saturation ID ( ma) VGS (V) 0 - 0.25 - 0.5 4 -1 1 VP 0 -2 0 2 1.5 1 0.5 00 VGS ( V) 1 3 4 5 6 7 8 9 10 VDS ( V) VDSAT = VGS-VP Figure 4 : Caractéristiques du JFET canal N 3) ZONE OHMIQUE ET DE COUDE : V DS < V DS sat = V GS - V P i n c e m e n t 3.1) Zone Ohmique G VDS faible + Région ohmique 4 + Z.C.E. Canal e (VGS) D VGS (V) 0V ID mA 3 S RDS0 VGS G 2 VDS faible G -0.5 V -1 V + 1 -1.5 V + Z.C.E. D S VP incement VP = -2 V 0 0 0.15 0.3 VDS (V) 0.45 0.6 G Figure 5 Lorsque la tension V DS est faible, l'épaisseur e = f (VGS) du canal est alors uniforme (figure 5) et d’autant plus faible que la tension VGS est négative. 2 Lorsque VGS est égale à VP tension de pincement, le canal a une épaisseur e nulle, le JFET est bloqué, soit : ID = 0 mA. La tension de pincement du canal VP est une donnée fondamentale du JFET. Dans la zone purement ohmique, la résistance drain-source RDS est telle que : R DS0 R = (1) DS 1 − K V GS RDS0 résistance pour VGS = 0V et K (V -1 ) facteur caractéristique du JFET 3.2) Zone de coude Lorsque la tension VDS augmente, l’épaisseur du canal dépend à la fois des tensions : • • VDS qui se répartit dans le canal. VGS par création d'une zone de charge d’espace. Par exemple, appliquons une tension V DS = 2 V, la grille n’étant pas connectée. Comme il est indiqué en figure 6, la tension VDS se répartie linéairement dans le canal. Grille Source Source Grille Drain 2V 0V 0.5 V 1V 1.5 V 2V Drain + VDS Si N Si P Grille VGS 2V + Si N Si P Grille Figure 6 2V Figure 7 Appliquons maintenant une tension VGS de -2V > VP et découpons le canal et la grille en n diodes PN (figure 7). Compte-tenu des tensions appliquées, la figure 8 donne une image électrique de la tension inverse des diodes considérées (n=5). -2V - 2.5 V 0.5V -3V 1V - 3.5 V 1.5V -4V 2V 2V Drain + 0V Grille -2V Source Grille VGS Source Grille -2V + Si N Drain Grille Figure 8 Si P VDS 2V Figure 9 Les diodes qui sont situées près du drain sont plus fortement bloquées que les diodes situées du côté de la source car soumises à une tension inverse plus importante. Le canal a donc tendance à se rétrécir du côté du drain (voir § 1). Le canal prend alors la forme d’un entonnoir (figure 9). La résistance du canal n’est plus linéaire, on décrit alors la zone de coude des caractéristiques. Le courant de drain dans la zone de coude est tel que : ID = I DSS V 2P 2 (V GS − V P )V DS − V DS 2 3 (2) VDS 4) ZONE DE SATURATION OU DE PLATEAU : V DS VDS sat = V GS - V P 4.1) Courant maximal de drain I DSS . Supposons une tension VGS nulle (figure 10) a) Lorsque la tension VDS atteint la valeur de saturation VDS sat = VGS -VP, il se produit à nouveau un pincement du canal en P1 .Cependant, contrairement à la zone ohmique, ce pincement local du canal, ne provoque pas l’annulation de courant ID. En effet, les électrons circulants de la source vers le drain, possèdent en P1 , une énergie cinétique suffisante pour rejoignent le drain. On a alors atteint le courant de saturation de drain IDSS , deuxième donnée fondamentale. b) Lorsque la tension VDS est supérieure à VDS sat, le courant ID reste sensiblement constant car on assiste à deux effets antagonistes : Si VDS ↑, la résistance RDS ↑ (P1 se déplace en P2 ) et le rapport VDS /RDS est invariable. 4.2) Equation dans la zone de plateau. Pour les tensions VGS négatives, les mêmes phénomènes se reproduisent. Mais l'association des effets des tensions VGS et VDS conduit à un courant de drain inférieur au courant maximal IDSS . Région de coude et de saturation G VGS (V) + VDS 10 D S I D mA I DSS 8 0V 6 V GS nulle G -0.5 V 4 P1 -1 V 2 -1.5 V 0 0 1 2 3 4 5 VP = -2 V VDS (V) VDS saturation = VGS - VP P2 Figure 10 4.3) Dans la zone de plateau, le JFET est une source de courant imparfaite dépendante des tensions VGS et VDS : V GS 2 I D = I DSS 1 − (1 + .V DS ) (3) VP • • • IDSS : courant maximal de saturation pour VGS = 0 V VP : tension de pincement du canal λ (V-1 ) : paramètre lié à la résistance interne de la source de courant (-1/λ correspond à un effet Early ) 4 5) POLARISATION DU JFET CANAL N On considère en figure 11 un montage à transistor JFET canal N. On définit la droite de charge VDS = VCC - (RS +RD) ID , sur laquelle on se fixe un point de repos en choisissant par exemple une tension VDS repos . On en déduit de manière habituelle sur les caractéristiques : ID repos et la tension VGS repos. Polariser le JFET revient à définir la tension négative VGS repos . La jonction grille-source étant bloquée, le courant de grille IG est très faible. Dans ces conditions, si on connecte entre grille et masse une résistance RGG (peu importe sa valeur), sa tension aux bornes sera nulle. On déduit : VGSrepos = 0 - RS IDrepos La polarisation est donc assurée par une résistance de source RS , de valeur convenable, associée au courant de drain qui la traverse. Cette polarisation est dite "automatique". En effet si pour une raison quelconque, le courant ID augmente, V GS diminuant, entraîne une diminution de ID. La position du point de repos est sensiblement stable. ID( ma) VCC RD + RS 10 9 + VCC 8 RD 0V ID VGS (V) 0 IDSS 7 - R S ID - 0.25 6 0 µA D G S VDS 4 VGS R GG ID RS 5 - 0.5 P0 ID repos 3 -1 2 1 M (0 V) -2 0 VP 2 1.5 VGS ( V) 1 0.5 VDS repos VGS repos VCC VDS ( V) Figure 11 6) SCHEMA AUX PETITES VARIATIONS ET FREQUENCES MOYENNES Pour de petites variations de fréquences moyennes, autour d'un point de repos, le transistor JFET canal N est simulé par le schéma équivalent de la figure 12 comportant : • Entre grille et source, une résistance rgs de valeur élevée ( résistance dynamique d'une jonction bloquée) habituellement négligée. • Un générateur de courant g m v g s , circulant toujours de D vers S et dépendant de la tension instantanée vgs . L'imperfection du générateur de courant est représentée par la résistance interne rds rds G id vgs S gm vgs D Figure 12 : schéma aux petites variations JFET canal N (ou P) Connaissant les caractéristiques essentielles du composant : IDSS , VP et λ, la transconductance gm et la résistance interne rds sont données par : gm = ∂I D ∂V GS V DS const =− 2 Vp rds = I DSS .I D repos 5 ∂ V DS ∂I D = V GS const 1 + .V DS repos .I D reps JFET CANAL P + Grille ID VDS D N ID G VGS + Drain VDS négative VGS positive IS = ID Source canal P Z.C.E. Si N Si P P Grille S zone ohmique et de coude 10 10 9 9 8 IDSS 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 zone de saturation ID ( ma) VGS (V) 0 + 0.25 + 0.5 +1 1 VP 0 +2 0 2 1.5 1 0.5 00 VGS ( V) -1 -3 -4 -5 -6 -7 VDSAT = VGS-VP -8 -9 -10 VDS ( V) Figure 13 : JFET canal P structure et caractéristiques La tension VGS du JFET canal P doit être comprise entre 0 et VP qui est positive. Sa tension V DS est négative. Expression du courant ID du JFET canal P dans la zone de plateau : I D = I DSS 1 − 2 V GS (1 + . V DS ) VP Son schéma équivalent aux fréquences moyennes et aux petites variations est identique à celui du JFET canal N avec : gm = − 2 Vp rds = I DSS .I D repos 6 1 + . V DS repos .I D repos JFET CANAL N : MONTAGES FONDAMENTAUX + VCC + VCC Id repos Rd VP D ve - RGM ve CL RGM - Amplificateur Source commune G RS Rg S S eg RS D G + vs Ru CL2 IDSS D Rg + eg Rd VP IDSS G S Id repos Rd VP CL IDSS Rg + VCC Id repos ve CL1 RGM Rs vs Ru G vgs S Amplificateur Drain commun G S + ve - RGM RS Rd Ru vs eg - ve RS RGM Req = Rd // Ru g R AV = − m eq 1 + gm Rs Re = RGM Rs = Rd gm = − 2 I I VP DSS D repos rds infinie eg Amplificateur Grille commune S vgs + eg Ru gm vgs Rg D vs - gm vgs Rg + Ru vs eg gm vgs D Req = RS // Ru AV = + gm Req 1 + gm Req Re = RGM RS Rs = 1 + gm RS G Rg vgs ve - D RS Rd Ru vs RGM Req = Rd // Ru v gs = −ve AV = gm Req Re = RS // Rs = Rd 1 gm TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION : JFET CANAL N Drain Grille interconnexions en aluminium oxyde de silicium SiO2 Source P Courant ID P mur d’isolement P+ Courant ID Canal N N épitaxié substrat P N++ N P P+ Al