LE TRANSISTOR JFET CANAL N Structure et caractéristiques Zone

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