Des transistors - Partie 8 : FETS

Parlons des transistors JFETs et MOSFETs !

La leçon du jour concerne les transistors FETs.

FET est l'acronyme pour Field-Effect Transistors, ou transistors à effet de champs en français. Il en existe beaucoup mais je vais surtout parler des transistors JFETs et MOSFETs, les plus utilisés en audio. Les FETs ont tous le même principe de fonctionnement : au lieu d'utiliser des jonctions PN comme dans un transistor bipolaire, ils bloquent ou laissent passer le courant en utilisant un champ électrique modulé par une tension. J'expliquerai comment ces transistors fonctionnent en comparaison des bipolaires. La relation courant-tension est la même pour les deux en revanche, et les calculs sont les mêmes que pour les transistors bipolaires. Le drain d'un FET est en quelque sorte l'équivalent du collecteur du bipolaire, la source est équivalente à l'émetteur et la grille est équivalente à la base. 

Parlons des transistors FETs à jonction avant, ou JFETs. Un JFET est composé d'une unique jonction PN, comme une diode finalement ! Un JFET à canal N est constitué d'une grande jonction N avec deux petites jonctions P accolées. Appliquer une tension à ces jonctions P neutralise l'espace entre eux, ce qui réduit l'espace libre pour que les électrons puissent se déplacer. Bien sûr, une tension de sens opposé agrandira le canal. Cette région neutre s'appelle la zone de déplétion. Les jonctions P sont reliées ensemble et appelées grille, et les deux extrémités de la jonction N sont la source et le drain. La différence entre les deux est due au dopage des extrémités. La zone de déplétion est représentée en gris sur l'image suivante. Vous l'aurez deviné, puisqu'il y a un semiconducteur dopé P connecté à un autre dopé N, le JFET a une diode intrinsèque qui ne doit JAMAIS être polarisée en inverse sous peine de brûler le transistor ! Cela signifie que la source doit toujours rester plus positive que la grille d'au moins une chute de tension Vd, ce qui n'est pas habituel comparé aux transistors bipolaires. A vrai dire, cela rappelle un peu le fonctionnement des tubes électroniques, car un tube fera fuiter du courant par sa grille si le cathode n'est pas polarisée assez élevée par rapport à elle !

 Les MOSFETs fonctionnent un peu de la mêm façon, mais à la place d'une jonction PN avec une zone de déplétion qui vient refermer le canal, ils utilisent une grille métallique et isolée du canal par un oxyde. D'où le nom de Metal Oxide Semiconductor FET. La tension appliquée à la grille a le même effet que pour le JFET, et contrôle le courant entre drain et source. Electornic-notes.com a un super schéma pour représenté cela. Le substrat, non représenté ici, est là où sont déposés tous les semiconducteurs. Il est appelé corps du transistor et doit toujours être connecté au point le plus négatif de celui-ci. Généralement il est connecté à la source mais parfois il s'agit d'une connection disponible pour que l'ingénieur puisse le relier à un autre point du circuit. De cette façon, le substrat forme une diode, appelée diode de corps (body diode), qui est un défaut du transistor nécessaire pour son bon fonctionnement.

Ces deux composants ont le même type de caractéristique I-V. Le courant Id qui traverse le canal drain-source est contrôlé par la tension grille-source Vgs par l'équation Id = 0.5*K*Cox*µox*(W/L)*(Vgs-Vp)². Ok ça a l'air pas mal compliqué et ça ne s'applique ici que pour le MOSFET, mais les paramètres K, Cox, µox, W, L et Vp sont constants en fonction des dimensions du transistor, du dopage, etc... Une autre formule bien plus simple est Id = Idss*(Vgs/Vp - 1)² qui est aussi compatible avec les JFETs cette fois-ci. Cette relation en carré de la tension donne différente caractéristique de saturation au transistor comparé aux diodes ou aux bipolaires.

Vp est certainement le paramètre le plus important de cette équation : c'est la tension de pincement. A cette tension, il n'y a pas de courant qui passe dans le transistor, que ce soit un JFET ou un MOSFET. Les JFET ont toujours une zone de déplétion plus ou moins grande, et conduise même lorsque la source et la grille sont au même potentiel. Vp est donc toujours négatif pour un JFET. Dans un MOSFET, on ne peut pas avoir de destruction à cause d'une mauvais polarisation comme pour les JFETs et Vp peut aussi être positif. Dans ce cas-là, le MOSFET est dit à enrichissement. Quand Vp est négatif, le MOSFET est à appauvrissement. Il n'y a que très peu de MOSFETs canal P à appauvrissement, la plupart des MOSFETs à appauvrissement sont à canal N uniquement. Pour résumer, le mode à appauvrissement conduit même lorsque Vgs = 0, Vp est négatif. Pour le mode à enrichissement, Vp est positif et le transistor ne conduit pas quand Vgs = 0.

Le véritable avantage des FETs est leur impédance d'entrée : elle est infinie pour une tension continue, ce qui signifie qu'aucun courant continu ne peut passer dans la grille pour polariser le transistor. En effet, la jonction PN du JFET agit comme une diode bloquante et le grille du MOSFET, comme un condensateur. Cela signifie que la seule puissance dissipée dans la grille vient de la commutation du transistor et pas sa polarisation. Pour les circuits simples ou plus complexes, vous pouvez utiliser les JFETs et les MOSFETs en lieu et place des bipolaires, avec l'équation adaptée. Le bruit est plus élevé chez les JFETs que les bipolaires, et encore plus chez les MOSFETs, mais ils peuvent gérer beaucoup plus de puissance et de nombreux MOSFETs de puissance sont utilisés pour des amplificateurs de puissance.

Résumons un peu ! L'impédance d'entrée des FETs est infiniment plus élevée que celle des transistors bipolaires, et leur loi "au carré" Id = f(Vgs) marche un peu différemment de la loi exponentielle de ces derniers. En dehors de ça, on peut tout à fait réaliser des miroirs de courant, paires différentielles et des amplificateurs opérationnels avec des FETs, et ils marchent tout simplement avec d'autres caractéristiques que celles des transistors bipolaires :