Transistors à effet de champ à jonction
Les transistors à effet de champ à jonction sont des transistors à base de semi-conducteurs commandés en tension. Ce sont des transistors unidirectionnels à trois bornes ; drain, source et porte. Les JFET n'ont pas de jonctions PN, mais ils sont composés de canaux en matériaux semi-conducteurs.
Construction et classification
Les JFET disposent d'un large canal pour le flux de porteurs de charge majoritaires. Ce canal est appelé substrat. Le substrat peut être en matériau de type P ou de type N. Deux contacts externes appelés contacts ohmiques sont placés aux deux extrémités du canal. Les JFET sont classés en fonction du matériau semi-conducteur du substrat dans leur construction.
Transistors JFET à canal N
Le canal est constitué d’un matériau impureté de type N, tandis que les portes sont composées d’un matériau impureté de type P. Un matériau de type N signifie que les impuretés pentavalentes ont été dopées et que la majorité des porteurs de charge sont des électrons libres dans le canal. La construction de base et la présentation symbolique des JFET à canal N sont présentées ci-dessous :
Transistors JFET à canal P
Le canal est composé d'un matériau d'impureté de type P tandis que les portes sont composées d'un matériau d'impureté de type N. Le canal P signifie que des impuretés trivalentes ont été dopées dans le canal et que les porteurs de charge majoritaires sont des trous. La construction de base et la présentation symbolique de P-Channel JFET sont présentées ci-dessous :
Fonctionnement des JFET
Les JFET sont souvent décrits par analogie avec les tuyaux d'arrosage. Le flux d’eau à travers les tuyaux est analogue au flux d’électrons à travers les canaux des JFET. La compression de la conduite d’eau détermine la quantité d’eau qui s’écoule. De même, dans le cas des JFET, l'application de tensions aux bornes de la grille décide du rétrécissement ou de l'élargissement du canal pour le mouvement des charges de la source au drain.
Lorsqu'une tension de polarisation inverse entre la grille et la source est appliquée, le canal se rétrécit tandis que la couche d'appauvrissement augmente. Ce mode de fonctionnement est appelé mode pincement. Ce type de comportement de canal est représenté ci-dessous :
Courbe des caractéristiques JFET
Les JFET sont des dispositifs en mode d'épuisement, ce qui signifie qu'ils fonctionnent sur l'élargissement ou le rétrécissement des couches d'épuisement. Pour analyser les modes de fonctionnement complets, la disposition de polarisation suivante est appliquée sur un JFET à canal N.
Deux tensions de polarisation différentes sont appliquées aux bornes JFET. VDS est appliqué entre le drain et la source tandis que VGS est appliqué entre la porte et la source, comme indiqué dans la figure ci-dessus.
JFET fonctionnera selon quatre modes de fonctionnement différents, comme indiqué ci-dessous.
1 : Mode ohmique
Le mode ohmique est un état normal sans aucune tension de polarisation appliquée à ses bornes. Donc VGS=0 en mode ohmique. La couche d'appauvrissement doit être très fine et JFET fonctionne comme un élément ohmique tel qu'une résistance.
2 : Mode pincement
En mode coupure, une tension de polarisation suffisante entre la grille et la source est appliquée. La tension de polarisation inverse appliquée étend la région d'appauvrissement jusqu'au niveau maximum et le canal se comporte donc comme un interrupteur ouvert résistant au flux de courant.
3 : Mode saturation
La tension de polarisation de grille et de source contrôle le flux de courant à travers le canal du JFET. Le courant varie avec le changement de tension de polarisation. La tension de polarisation du drain et de la source a un effet négligeable dans ce mode.
4 : Mode panne
La tension de polarisation du drain et de la source augmente jusqu'à un niveau qui détruit la couche d'appauvrissement dans le canal des JFET. Cela conduit à un flux de courant maximal à travers le canal.
Expressions mathématiques pour les paramètres JFET
En modes de saturation, les JFET entrent dans des modes conducteurs où la tension fait varier le courant. Le courant de drain peut donc être évalué. L’expression d’évaluation du courant de drain est donnée par :
Le canal s'élargit ou se rétrécit avec l'application de tensions de grille. La résistance du canal par rapport à l’application de la tension drain-source est exprimée comme suit :
Le RDS peut également être calculé via le gain de transconductance, gm :
Configurations de JFET
Les JFET peuvent être connectés de différentes manières avec les tensions d'entrée. Ces configurations sont connues sous le nom de configurations de source commune, de porte commune et de drain commun.
Configuration source commune
Dans une configuration de source commune, la source du JFET est mise à la terre et l'entrée est connectée à la borne de porte tandis que la sortie est prélevée sur le drain. Cette configuration offre des fonctions d'impédance d'entrée et d'amplification de tension élevées. Cette configuration en mode amplificateur est la plus courante de toutes les configurations JFET. La sortie obtenue est déphasée de 180 degrés par rapport à l’entrée.
Configuration de porte commune
Dans une configuration de porte commune, la porte est mise à la terre tandis que l'entrée est connectée à la source et la sortie est extraite du drain. Comme la porte est connectée à la terre, la configuration a une faible impédance d'entrée mais une impédance plus élevée en sortie. La sortie obtenue est en phase avec l'entrée :
Configuration de drain commun
Dans un drain commun, l'entrée est connectée à la porte tandis que la sortie est connectée à la borne source. Cette configuration offre également une faible impédance d'entrée et une impédance de sortie plus élevée, tout comme la configuration à grille commune, mais le gain de tension est ici d'environ l'unité.
Cette configuration correspond également à une source commune où l'entrée est connectée à la porte, mais la configuration de source commune a un gain inférieur à l'unité.
Application – Configuration de l'amplificateur JFET
Les JFET peuvent fonctionner comme des amplificateurs de classe A lorsque la borne de grille est connectée à un réseau diviseur de tension. Une tension externe est appliquée aux bornes de la source, qui est principalement configurée pour représenter un quart de VDD dans le circuit ci-dessous.
La tension source peut donc être exprimée comme suit :
En outre, la tension source peut être calculée à l'aide de l'expression ci-dessous :
Le courant de drain peut être calculé à partir de la configuration ci-dessus comme ci-dessous :
La tension de grille peut être obtenue en fonction des valeurs des résistances R1 et R2 comme indiqué ci-dessous.
Exemple 1 : calcul de V DD
Si V GS (éteint) =-8V, je DSS = 24 mA pour JFET dans la configuration ci-dessous, calculez V DD comme le montre la figure lorsque R D =400.
Depuis
Ce qui précède doit être la valeur minimale de VDS pour que JFET fonctionne dans une région à courant constant, donc :
Aussi,
En appliquant du KVL au circuit de vidange :
Exemple 2 : Déterminer la valeur du courant de drain
Déterminez la valeur du courant de drain lorsque VGS=3V, VGS(Off)=-5V, IDSS=2mA pour une configuration inférieure à JFET.
L’expression du courant de drain est :
Conclusion
Les transistors à effet de champ à jonction sont des dispositifs semi-conducteurs à trois bornes qui fonctionnent avec le comportement des régions d'appauvrissement dans différents modes de fonctionnement. Ils ne comportent pas de jonctions PN, mais sont constitués de canaux en matériaux semi-conducteurs.