LE TRANSISTOR JFET CANAL N Structure et caractéristiques Zone de saturation

Philippe ROUX © 2004
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
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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.
W=2
0
si
q(1
N
a
+1
N
d
)(V
+V
inv
)
V
=kT
qln(NaNd
ni2)
Si PSi N
+
Vinv
AnodeCathode
IS
Z.C.E.
Na
Nd
W
Figure 1: Diode bloquée et sa Z.C.E. d’épaisseur W = f (V
in
)
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 V
inv
. 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.
G
D
S
V
GS
négative
V
DS
positive
I
D
I
S = ID
Drain
+
VGS
VDS
+
canal N
N
P
Z.C.E.
ID
Si N
Si P
Grille
Source
Grille
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 V
GS
négative.
Drain
Si P
Z.C.E.
Si P
Si N
Canal
Z.C.E.
Grille Grille
Source
Figure 3 : Coupe au niveau du canal
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)
21.5 1 0.5 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
01 3 4 5 6 7 8 9 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VGS ( V) VDS ( V)
VGS (V)
- 0.25
0
-1
- 0.5
zone ohmique
et de coude zone de saturation
ID ( ma)
VP
IDSS
-2
VDSAT = VGS-VP
VDS
Positif
G
S
D
VGS
Négatif
ID
Caractéristique
de transfert
Figure 4 : Caractéristiques du JFET canal N
3) ZONE OHMIQUE ET DE COUDE : VDS < VDS sat = VGS - VPincement
3.1) Zone Ohmique
VPincement
+
VGS
VDS faible
+
D
S
G
+
VDS faible
+
D
S
G
G
VDS (V)
00.15 0.3 0.45 0.6
0
1
2
3
4ID mA VGS (V)
0 V
-0.5 V
-1.5 V
-1 V
VP = -2 V
Région ohmique
G
e (VGS)
RDS0
Z.C.E.
Canal Z.C.E.
Figure 5
Lorsque la tension VDS 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 :
RDS =RDS0
1−K VGS
(1)
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 VDS = 2 V, la grille n’étant pas connectée. Comme il est
indiqué en figure 6, la tension VDS se répartie linéairement dans le canal.
Si N Si P
+
+
Drain
Source
Grille
Grille
VDS
VGS
2 V
2 V
Si N Si P
Drain
Grille
Grille
Source
0 V 2 V
VDS
2V
1 V0.5 V 1.5 V
Figure 6 Figure 7
Appliquons maintenant une tension V
GS 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).
1V 2V1.5V0V 0.5V
-2V
-2V
Grille
GrilleSource Drain
- 2 V - 2.5 V - 3 V - 3.5 V - 4 V
Si N Si P
+
+
Drain
Source
Grille
Grille
VDSVGS
2 V
2 V
Figure 8 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 :
I
D
= I
DSS
V
2
P
2 (V
GS
−V
P
)V
DS
−V
2
DS
(2)
3

4) ZONE DE SATURATION OU DE PLATEAU : VDS VDS sat = VGS - VP
4.1) Courant maximal de drain IDSS.
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 nou-
veau 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
VDS
+
D
S
G
G
VDS (V)
0 1 2 3 4 5
0
2
4
6
8
10
VDS saturation = VGS - VP
ID mA
I DSS
VGS (V)
0 V
-0.5 V
-1.5 V
-1 V
VP = -2 V
VGS nulle
P1
P2
Figure 10
4.3) Dans la zone de plateau, le JFET est une source de courant imparfaite dépendante des tensions
VGS et VDS :
ID=IDSS 1−VGS
VP
2(1+.VDS ) (3)
• 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