3. Transistor à effet de champ à jonction (JFET)
ACTUEL - 3. Transistor à effet de champ à jonction (JFET)
PRÉCÉDENT-2. FET à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOSFET)
Transistor à effet de champ à jonction (JFET)
Le MOSFET présente de nombreux avantages par rapport au transistor à effet de champ à jonction (JFET). Notamment, la résistance d'entrée du MOSFET est supérieure à celle du JFET. Pour cette raison, le MOSFET est sélectionné en faveur du JFET pour la plupart des applications. Néanmoins, le JFET est toujours utilisé dans des situations limitées, en particulier pour les applications analogiques.
Nous avons vu que les MOSFET d'amélioration nécessitent une tension de grille non nulle pour former un canal de conduction. Aucun courant majoritaire ne peut circuler entre la source et le drain sans cette tension de grille appliquée. En revanche, le JFET contrôle la conductance du courant à porteuse majoritaire dans un canal existant entre deux contacts ohmiques. Pour cela, il fait varier la capacité équivalente du dispositif.
Bien que nous abordions les JFET sans utiliser les résultats obtenus précédemment pour les MOSFET, nous verrons de nombreuses similitudes dans le fonctionnement des deux types d'appareils. Ces similitudes sont résumées dans la section 6: «Comparaison du MOSFET au JFET».
Un schéma de la structure physique du JFET est présenté à la figure 13. Comme le BJT, le JFET est un appareil à trois terminaux. Il a fondamentalement un seul pn jonction entre la porte et le canal plutôt que deux comme dans le BJT (bien qu’il semble y avoir deux pn jonctions illustrées à la figure 13, celles-ci sont connectées en parallèle en reliant les bornes de la grille. Ils peuvent donc être traités comme une jonction unique).
La nLe canal JFET, illustré à la figure 14 (a), est construit à l’aide d’une bande de ntype avec deux pmatériaux de type diffuse dans la bande, un de chaque côté. le pJFET multicanal a une bande de ptype avec deux nmatériaux de type diffusé dans la bande, comme indiqué sur la figure 13 (b). La figure 13 montre également les symboles du circuit.
Pour mieux comprendre le fonctionnement du JFET, connectons le nJFET canal vers un circuit externe, comme indiqué dans la figure 14 (a). Une tension d'alimentation positive, VDD, est appliqué sur le drain (ceci est analogue au VCC tension d'alimentation pour un BJT) et la source est connectée au commun (masse). Une tension d'alimentation du portail, VGG, est appliqué à la porte (ceci est analogue à VBB pour le BJT).
Figure 13-Structure physique de JFET
VDD fournit une tension drain-source, vDS, qui provoque un courant de drain, iD, s'écouler du drain à la source. Comme la jonction grille-source est polarisée en inverse, il en résulte un courant de grille nul. Le courant de drain, iD, qui est égal au courant source, existe dans le canal entouré par le pporte de type. La tension porte à source, vGS, qui est égal à, crée un région d'appauvrissement dans le canal qui réduit la largeur du canal. Ceci, à son tour, augmente la résistance entre drain et source.
Figure 14 - JFET à canal n connecté à un circuit externe
Nous considérons le fonctionnement JFET avec vGS = 0, comme illustré à la figure 14 (b). Le courant de drain, iD, Grâce à l' n-channel du drain à la source provoque une chute de tension le long du canal, le potentiel le plus élevé se trouvant à la jonction drain-grille. Cette tension positive à la jonction drain-grille polarise en inverse la pn jonction et produit une région d’épuisement, comme le montre la zone ombrée sombre de la figure 14 (b). Quand on augmente vDS, le courant de drain, iD, augmente également, comme le montre la figure 15.
Cette action a pour résultat une plus grande région d'appauvrissement et une résistance accrue du canal entre le drain et la source. Comme vDS est encore augmentée, un point est atteint où la région d'appauvrissement coupe tout le canal au bord du drain et le courant de drain atteint son point de saturation. Si on augmente vDS au-delà de ce point, iD reste relativement constant. La valeur du courant de drain saturé avec VGS = 0 est un paramètre important. C'est le courant de saturation drain-source, IDSS. Nous l'avons trouvé KVT2 pour le mode de déplétion MOSFET. Comme on peut le voir sur la figure 15, l’augmentation vDS au-delà de ce que l'on appelle le canal pincer point (-VP, IDSS) provoque une très légère augmentation de iD, et le iD-vDS courbe caractéristique devient presque plate (c.-à-d. iD reste relativement constant vDS est encore augmenté). Rappeler que VT (maintenant désigné VP) est négatif pour un ndispositif de canal. Le fonctionnement au-delà du point de pincement (dans la région de saturation) est obtenu lorsque la tension de drain, VDS, est supérieur à -VP (voir la figure 15). Par exemple, disons VP = -4V, cela signifie que la tension de drain, vDS, doit être supérieur ou égal à - (- 4V) pour que le JFET reste dans la région de saturation (fonctionnement normal).
Cette description indique que le JFET est un périphérique de type épuisement. Nous nous attendons à ce que ses caractéristiques soient similaires à celles des MOSFET à épuisement. Cependant, il existe une exception importante: s’il est possible de faire fonctionner un MOSFET de type à épuisement en mode amélioration (en appliquant une vGS si l'appareil est n-channel) ce n'est pas pratique dans le périphérique de type JFET. En pratique, le maximum vGS est limité à environ 0.3V puisque le pnLa jonction reste essentiellement coupée avec cette petite tension directe.
Figure 15 –– iD versus vDS caractéristique de nJFET multicanal (VGS = 0V)
Variation de la tension source-porte 3.1 JFET
Dans la section précédente, nous avons développé le iD-vDS courbe caractéristique avec VGS = 0. Dans cette section, nous considérons la complète iD-vDS caractéristiques pour diverses valeurs de vGS. Notez que dans le cas du BJT, les courbes caractéristiques (iC-vCE) ont diminué iB comme paramètre. Le FET est un dispositif à tension contrôlée où vGS fait le contrôle. La figure 16 montre la iD-vDS courbes caractéristiques pour les deux n-canal et pJFET à canal.
Figure 16-iD-vDS courbes caractéristiques pour JFET
À mesure qu'augmente 
(vGS est plus négatif pour un n-canal et plus positif pour un pcanal), la région d’appauvrissement est formée et le pincement est obtenu pour des valeurs inférieures de iD. Donc pour le nJFET à canal de la figure 16 (a), le maximum iD réduit de IDSS as vGS est rendu plus négatif. Si vGS est encore diminuée (plus négative), une valeur de vGS est atteint après quoi iD sera zéro quelle que soit la valeur de vDS. Cette valeur de vGS est appelé VGS (OFF)ou tension de pincement (Vp). La valeur de Vp est négatif pour un nJFET multicanal et positif pour un pJFET à canal. Vp peut être comparé à VT pour le mode de déplétion MOSFET.
Caractéristiques de transfert 3.2 JFET
La caractéristique de transfert est un tracé du courant de drain, iD, en fonction de la tension drain-source, vDS, avec vGS égal à un ensemble de tensions constantes (vGS = -3V, -2, -1V, 0V sur la figure 16 (a)). La caractéristique de transfert est presque indépendante de la valeur de vDS depuis après le JFET atteint pincée, iD reste relativement constant pour des valeurs croissantes de vDS. Cela peut être vu de la iD-vDS courbes de la figure 16, où chaque courbe devient approximativement plate pour les valeurs de vDS>Vp.
Dans la figure 17, nous montrons les caractéristiques de transfert et la iD-vDS caractéristiques pour nJFET à canal. Nous traçons ces avec un commun iD axe pour montrer comment obtenir l’un de l’autre. Les caractéristiques de transfert peuvent être obtenues à partir d’une extension de la iD-vDS courbes comme indiqué par les lignes pointillées dans la figure 17. La méthode la plus utile pour déterminer la caractéristique de transfert dans la région de saturation est la relation suivante (l'équation de Shockley):
(16)
Par conséquent, il suffit de savoir IDSS et Vp pour déterminer toute la caractéristique. Les fiches techniques des fabricants donnent souvent ces deux paramètres, de sorte que la caractéristique de transfert peut être construite. Vp dans la fiche technique du fabricant est indiqué comme VGS (OFF). Noter que iD sature (c'est-à-dire devient constante) lorsque vDS dépasse la tension nécessaire pour que le canal se bloque. Ceci peut être exprimé comme une équation pour vDS, assis en chacun courbe, comme suit:
(17)
As vGS devient plus négatif, le pincement se produit à des valeurs inférieures de vDS et le courant de saturation devient plus petit. La région utile pour le fonctionnement linéaire est au-dessus du pincement et au-dessous de la tension de claquage. Dans cette région, iD est saturé et sa valeur dépend de vGS, selon l'équation (16) ou la caractéristique de transfert.
Figure 17 - Courbes caractéristiques de transfert JFET
Le transfert et iD-vDS Les courbes caractéristiques du JFET, illustrées à la figure 17, diffèrent des courbes correspondantes d'un BJT. Les courbes BJT peuvent être représentées comme étant régulièrement espacées pour des pas uniformes du courant de base en raison de la relation linéaire iC et iB. JFET et MOSFET n'ont pas de courant analogue à un courant de base car les courants de grille sont nuls. Par conséquent, nous sommes obligés de montrer la famille de courbes iD vs. vDSet les relations sont très non linéaires.
La deuxième différence concerne la taille et la forme de la région ohmique des courbes caractéristiques. Rappelons qu'en utilisant les BJT, nous évitons les opérations non linéaires en évitant le% 5 inférieur des valeurs de vCE (c.-à-d. le région de saturation). Nous voyons que la largeur de la région ohmique du JFET est fonction de la tension grille à source. La région ohmique est assez linéaire jusqu'à ce que le genou se rapproche du pincement. Cette région s'appelle la région ohmique car lorsque le transistor est utilisé dans cette région, il se comporte comme une résistance ohmique dont la valeur est déterminée par la valeur de vGS. À mesure que la valeur de la tension grille-source diminue, la largeur de la région ohmique augmente. On note également à partir de la figure 17 que la tension de claquage est fonction de la tension grille-source. En fait, pour obtenir une amplification de signal raisonnablement linéaire, nous devons utiliser seulement un segment relativement petit de ces courbes - la zone de fonctionnement linéaire est dans la région active.
As vDS augmente de zéro, il y a un point de rupture sur chaque courbe au-delà duquel le courant de drain augmente très peu vDS continue d'augmenter. À cette valeur de tension drain-source, un pincement se produit. Les valeurs de pincement sont indiquées à la figure 17 et sont reliées par une courbe en pointillé qui sépare la région ohmique de la région active. Comme vDS continue à augmenter au-delà du pincement, un point est atteint où la tension entre le drain et la source devient si grande que rupture d'avalanche se produit. (Ce phénomène se produit également dans les diodes et dans les BJT). Au point de panne, iD augmente fortement avec une augmentation négligeable de vDS. Cette panne se produit à l'extrémité de drain de la jonction grille-canal. Par conséquent, lorsque la tension drain-grille, vDG, dépasse la tension de claquage (BVGDS pour le pn jonction), une avalanche se produit [pour vGS = 0 V]. À ce stade, le iD-vDS caractéristique présente la forme particulière montrée dans la partie droite de la figure 17.
La région située entre la tension de pincement et la rupture en avalanche est appelée la région active, région de fonctionnement de l'amplificateur, région de saturationou région pincée. La région ohmique (avant le pincement) est généralement appelée la région triode, mais on l'appelle parfois le région contrôlée par la tension. Le JFET fonctionne dans la région ohmique à la fois lorsqu'une résistance variable est souhaitée et dans les applications de commutation.
La tension de claquage est fonction de vGS ainsi que vDS. Au fur et à mesure que la tension entre la grille et la source augmente (plus négatif pour n-canal et plus positif pour p-canal), la tension de claquage diminue (voir la figure 17). Avec vGS = Vp, le courant de drain est nul (sauf pour un faible courant de fuite), et avec vGS = 0, le courant de drain sature à une valeur,
(18)
IDSS est courant de saturation drain à source.
Entre pincement et claquage, le courant de drain est saturé et ne varie pas sensiblement en fonction des vDS. Une fois que le JFET a dépassé le point de fonctionnement du pincement, la valeur de iD peut être obtenu à partir des courbes caractéristiques ou de l'équation
(19)
Une version plus précise de cette équation (en tenant compte de la légère pente des courbes caractéristiques) est la suivante:
(20)
λ est analogue à la λ pour les MOSFET et 1 /VA pour les BJT. Puisque λ est petit, nous supposons que 
. Cela justifie d'omettre le deuxième facteur de l'équation et d'utiliser l'approximation pour l'analyse de polarisation et de signaux de grande taille.
Le courant de saturation drain-source, IDSS, est fonction de la température. Les effets de la température sur Vp ne sont pas grands. cependant, IDSS diminue avec l’augmentation de la température, cette diminution pouvant atteindre 25% pour un 100.o augmentation de la température. Des variations encore plus importantes se produisent dans Vp et IDSS en raison de légères variations dans le processus de fabrication. Ceci peut être vu en consultant l’Annexe du 2N3822 où le maximum IDSS est 10 mA et le minimum est 2 mA.
Les courants et tensions dans cette section sont présentés pour une nJFET à canal. Les valeurs pour un pJFET multicanal sont l'inverse de ceux donnés pour le n-canal.
3.3 JFET modèle à signal faible
Un modèle JFET en signal faible peut être dérivé en suivant les mêmes procédures que celles utilisées pour le MOSFET. Le modèle est basé sur la relation d'équation (20). Si on ne considère que le ac composante des tensions et des courants, nous avons
(21)
Les paramètres dans l’équation (21) sont donnés par les dérivées partielles,
(22)
Le modèle résultant est présenté à la figure 18. Notez que le modèle est identique au modèle MOSFET dérivé précédemment, sauf que les valeurs de gm et ro sont calculés en utilisant différentes formules. En fait, les formules sont identiques si Vp est substitué à VT.
Figure 18 - Modèle à courant alternatif à petit signal JFET
Pour concevoir un amplificateur JFET, le point Q de la dc Le courant de polarisation peut être déterminé soit graphiquement, soit en utilisant une analyse de circuit en supposant un mode de pinch-off pour le transistor. le dc courant de polarisation au point Q doit se situer entre 30% et 70% de IDSS. Ceci localise le point Q dans la région la plus linéaire des courbes caractéristiques.
La relation entre iD et vGS peut être tracé sur un graphique sans dimension (c.-à-d. une courbe normalisée), comme illustré à la figure 20.
L'axe vertical de ce graphique est iD/IDSS et l'axe horizontal est vGS/Vp. La pente de la courbe est gm.
Une procédure raisonnable pour localiser la valeur de repos près du centre de la région de fonctionnement linéaire consiste à sélectionner et. Notez à partir de la figure 6.20 que cela est proche du milieu de la courbe. Ensuite, nous sélectionnons. Cela donne une large gamme de valeurs pour vds qui maintiennent le transistor en mode pinch-off.
Figure 20 -iD/IDSS versus vGS/Vp
Nous pouvons trouver la transconductance au point Q soit à partir de la pente de la courbe de la figure 20, soit à l’aide de l’équation (22). Si nous utilisons cette procédure, le paramètre de transconductance est donné par,
(23)
Rappelez-vous que cette valeur de gm dépend de l'hypothèse que ID est fixé à la moitié IDSS et VGS . 0.3/XNUMX/XNUMXVp. Ces valeurs représentent généralement un bon point de départ pour définir les valeurs de repos pour le JFET.