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1
Le transistor à effet de champ (TEC)
Field Effect Transistor (FET)
1
2
Présentation générale
• Transistor à effet de champ se présente comme une résistance
variable commandée par une tension extérieure
• Comparaison avec le transistor bipolaire :
– fonctionnement lié au déplacement d'un seul type de porteur (porteur
majoritaire)
– Très forte impédance d’entrée (MΩ)
– Facteur de bruit inférieur au transistor bipolaire
Transistor à canal N
Transistor PNP
Le sens de la flèche indique le sens du courant de grille
G
D
S
G
D
S
3
Présentation générale
• Constitution du TEC à canal N
Sur un substrat de type P (Grille) fortement dopé (P+) sont déposées :
Une zone N faiblement dopée qui constitue le canal
Deux zones N fortement dopées (N+) qui constitue des bornes d’entrée (Source) et de
sortie du canal (Drain)
• Elément actif à 3 accès :
Grille (G) : électrode de commande,
Source (S) : électrode par laquelle les porteurs majoritaires entrent dans le canal,
Drain (D) : électrode par laquelle les porteurs majoritaires quittent le canal.
N+ P+ N+
Canal
Substrat
Grille (G)
Drain (D)
P+
N
Source (S)
4
Fonctionnement du transistor à canal N
• VGS = 0 V (grille et source reliées) – VDS = 0 V
• VGS = 0 V (grille et source reliées) – VDS ≥ 0 V faible
N+ P+ N+
G
D
P+
N
S
Zone de charge d’espace
La mise en contact des zones P et N donne naissance à des
zones de charges d’espace qui diminuent la largeur effective
du canal
La jonction grille drain est polarisée en inverse – Les zones
de charge d’espace augmentent – Si VDS faible, le canal se
comporte comme une résistance RDS
le transistor à un comportement ohmique
N+ P+ N+
G
D
P+
N
S
Zone de charge d’espace
5
Fonctionnement du transistor à canal N
• VGS = 0 V (grille et source reliées) – VDS ≥ 0 V élevée
Si VDS la section conductrice du canal diminue RDS et
le courant ID entre le drain et la source commence à être
limité – Lorsque les deux zones de charge d’espace se
rejoignent le canal est pincé (VDS = Vp)
N+ P+ N+
G
D
P+
N
S
Zone de charge d’espace
Zone ohmique
ID
VDS
VGS = 0IDSS
VP VDSmax
VDSmax = tension de rupture
Zone de saturation Si VDS > Vp ID constant
zone de saturation du transistor
6
Fonctionnement du transistor à canal N
• VGS < 0 V – VDS = 0 V
Si |VGS| l’épaisseur du canal se rétrécit – le canal est
totalement pincé lorsque VGS = -Vp
• VGS < 0 V – VDS > 0 V
Si |VGS| < Vp le canal ne peut être complètement fermé le
courant ID qui circule dépend de VDS et VGS
Si VDS > VDScoude = Vp – VGS le courant ID n’augmente plus
7
Caractéristiques statiques du TEC à canal N
• La caractéristique de transfert est tracée lorsque le
transistor est dans la zone de saturation
VGS1
VGS2
ID
VDS > 0
VGS = 0
IDSS
VP
Zone de saturation
VP+VGS2
Zone ohmique
VGS < 0
-VP
VGS1
Caractéristique de transfert Caractéristique de Kellog
VGS2
VP+VGS1
8
Paramètres statiques du TEC
Paramètres obtenus en considérant le montage suivant :
Paramètres d’entrée : IG et VGS
Paramètres de sortie : ID et VDS
La tension VGS est toujours négative
la jonction Grille-Source est polarisée en inverse
donc IG ≈≈≈≈ 0
FTEC
IG
VGS
ID
VDS
TEC
Grille
Source Source
Drain
9
Paramètres statiques du TEC
• Loi de variation du courant ID
Zone ohmique : VDS < VDScoude = Vp + VGS
avec Vp > 0 et VGS < 0
Zone de saturation : VDS > VDScoude
1 	 avec Vp > 0 et VGS < 0
Dans ce cas ID est indépendant de VDS
• Résistance Grille-Source
la jonction Grille-Source est polarisée en inverse donc IG ≈≈≈≈ 0
≈≈≈≈ 10 MΩΩΩΩ très grande
10
Paramètres statiques du TEC
• Résistance Drain Source
dépend de la zone d’utilisation du TEC
• Pente de la caractéristique ID = f(VGS) dans la zone de
saturation
!
avec 1 	
	
"
#
$
#
Pour VGS = 0 ID = IDSS gm = gm0 (valeur maximale)
Pour –Vp < VGS < 0 	 % $
#
11
Polarisation du TEC à canal N en zone de saturation
Objectif de la polarisation : Fixer les valeurs des tensions VGS0, VDS0 et du
courant ID0 pour l’utilisation du transistor en alternatif
Conditions à respecter : –Vp < VGS ≤ 0 et VDS ≥ 0
	 ++++ avec IG très faible (IG ≈≈≈≈ 0) &	
RG élevée
RD et RS servent à limiter le continu
RD
VDD > 0
RS
RG
IG
ID
IS
G S
D
Exemple : polarisation automatique en zone
de saturation
12
Polarisation du TEC à canal N – Droite de polarisation
'()*+,-.	/0	1*	/2-,+0	/0	3-1*2,4*+,-.
or IG ≈≈≈≈ 0 et &	
						Equation de la droite
de polarisation ou droite d’attaque
RD
VDD > 0
RS
RG
IG
ID
IS
S
D
Exemple : polarisation automatique en zone
de saturation
VGS
VDS
IDSS
VGS < 0
-VP VGS0
1 	
56
57
ID0
13
Polarisation du TEC à canal N – Droite de charge statique
Equation de la droite de charge statique
Car &	
8
	9	
						
Equation de la droite de charge statique
RD
VDD > 0
RS
RG
IG
ID
IS
S
D
Exemple : polarisation automatique en zone
de saturation
VGS
VDS
VGS0
VGS2
ID
VDS
VGS = 0
IDSS
VDS0
ID0
14
Le TEC en régime dynamique
• Schéma équivalent du TEC en alternatif dans la zone de saturation
Le transistor est considéré comme un quadripôle
• Le quadripôle est décrit en utilisant les paramètres admittances
:
;$$< ;$"<
;"$< ;""<
avec
	 	
< 	 < 	
Ces grandeurs représentent de petites variations autour du point de fonctionnement
iG
vGS
iD
vDS
iG
iD
vGS
vDS
G
D
S
15
• Schéma équivalent du TEC en alternatif dans la zone de
saturation
=>> 	
?@
?
A
? B
=
?@
?
A
C
	
>
D
=>> & 0	 car jonction Grille Source polarisée en inverse
=> 	
?@
?
A
? B
=
?@
?
A
C
=> & 0	 car jonction Grille Source polarisée en inverse
= > 	
?@
?
A
? B
=
?@
?
A
C
	FG pente de la caractéristique ID = f(VGS)
= 	
?@
?
A
? B
=
?@
?
A
C
>
D
	
Le TEC en régime dynamique
16
Schéma équivalent du TEC en alternatif BF
• Schéma équivalent général
H
$
<
<
$
<
• Schéma équivalent simplifié
I6 → ∞			et I → ∞
!
iG
vGS
iD
vDSRGS
gm vGS RDS
G D
S
iG
vGS
iD
vDS
G
gm vGS
S
D
17
Amplificateur à TEC à polarisation automatique
• Montage source commune
Les accès d’entrée et de sortie sont et
Les capacités C1, C2 et Cs sont des capacités de découplage
1 2
RL
2C2
RD
VDD > 0
RS
RG
S
D
Rg
1 C1
v1(t)
v2(t)
CS
eg(t)
18
Etude statique du montage (théorème de superposition)
• Schéma équivalent en continu
Le point de fonctionnement du transistor est imposé par les
éléments du montage
ID0, VGS0 et VDS0 sont fixés
un signal alternatif vGS(t) peut être superposé
au signal continu VGS0
RD
VDD > 0
RS
RG
IG
ID
IS
S
D
Détermination des droites d’attaque et statique
de sortie (voir diapositives 12 et 13)
VGS
VDS
19
• Schéma électrique en régime sinusoïdal
• Schéma équivalent (RGS et RDS sont négligées)
Etude dynamique du montage (théorème de superposition)
RL
RD
RG
S
D
Rg
v1(t)
v2(t)
eg(t)
i1(t)
i2(t)
iG
vGS
iD
vDS
G
gm vGS
S
D
RG
Rg
RLRD
v1(t)
eg(t)
v2(t)
i1(t) i2(t)
20
Etude dynamique du montage (théorème de superposition)
• Droite de charge dynamique
(d’après le schéma de la diapositive 19)
La droite de charge dynamique ∆∆∆∆ est la droite passant par le
point de fonctionnement de coordonnées (ID0 , VDS0) et de
pente
8>
DL	MM	D
DL9	D
DL	D
équation de la droite de charge
dynamique
Une petite variation de la tension d’entrée vGS(t) autour de VGS0
entraine des variations de courant iDS(t) autour de ID0 et de
tensions vDS(t) autour de VDS0
N
DLD
DL9	D
O
O
IP I
IPI
	QN 	5 BR 	 B
21
t
VGS0
VGS2
ID
VDS > 0
VGS = 0
IDSS
VGS < 0
-VP
VGS0 VDS0
ID0
vGS(t)
t
iD(t)
t
Droite de charge dynamique
vDS(t)
Analyse du circuit : application du théorème de
superposition
S % T Q R
U % V Q R
S % T Q R
22
Caractéristiques électriques de l’amplificateur
en fonctionnement alternatif
iG
vGS
iD
vDS
G
gm vGS
S
D
RG
Rg
RLRD
v1(t)
eg(t)
v2(t)
i1(t) i2(t)
Gain en tension GV
W
W 	
Gain en courant GI
W 	
Résistance d’entrée Re
Résistance de sortie Rs
!
23
Autres types de montage
RL
2C2
RD
VDD > 0
RS
RG
S
D
Rg
1 C1
v1(t) v2(t)
eg(t)
• Montage drain commun
• Grille commune
RL
2C2
RD
VDD > 0
RS
S D
Rg
1 C1
v1(t)
v2(t)
eg(t)
G
24
Comportement du TEC à haute fréquence
• Si la fréquence augmente, des capacités parasites intrinsèques au
transistor CGS, CGD et CDS interviennent
Les deux premières sont du même ordre de grandeur (qq pF), la dernière
plus faible peut être négligée
iG
vGS
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vDSCGS
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G D
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25
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  • 1. 1 Le transistor à effet de champ (TEC) Field Effect Transistor (FET) 1
  • 2. 2 Présentation générale • Transistor à effet de champ se présente comme une résistance variable commandée par une tension extérieure • Comparaison avec le transistor bipolaire : – fonctionnement lié au déplacement d'un seul type de porteur (porteur majoritaire) – Très forte impédance d’entrée (MΩ) – Facteur de bruit inférieur au transistor bipolaire Transistor à canal N Transistor PNP Le sens de la flèche indique le sens du courant de grille G D S G D S
  • 3. 3 Présentation générale • Constitution du TEC à canal N Sur un substrat de type P (Grille) fortement dopé (P+) sont déposées : Une zone N faiblement dopée qui constitue le canal Deux zones N fortement dopées (N+) qui constitue des bornes d’entrée (Source) et de sortie du canal (Drain) • Elément actif à 3 accès : Grille (G) : électrode de commande, Source (S) : électrode par laquelle les porteurs majoritaires entrent dans le canal, Drain (D) : électrode par laquelle les porteurs majoritaires quittent le canal. N+ P+ N+ Canal Substrat Grille (G) Drain (D) P+ N Source (S)
  • 4. 4 Fonctionnement du transistor à canal N • VGS = 0 V (grille et source reliées) – VDS = 0 V • VGS = 0 V (grille et source reliées) – VDS ≥ 0 V faible N+ P+ N+ G D P+ N S Zone de charge d’espace La mise en contact des zones P et N donne naissance à des zones de charges d’espace qui diminuent la largeur effective du canal La jonction grille drain est polarisée en inverse – Les zones de charge d’espace augmentent – Si VDS faible, le canal se comporte comme une résistance RDS le transistor à un comportement ohmique N+ P+ N+ G D P+ N S Zone de charge d’espace
  • 5. 5 Fonctionnement du transistor à canal N • VGS = 0 V (grille et source reliées) – VDS ≥ 0 V élevée Si VDS la section conductrice du canal diminue RDS et le courant ID entre le drain et la source commence à être limité – Lorsque les deux zones de charge d’espace se rejoignent le canal est pincé (VDS = Vp) N+ P+ N+ G D P+ N S Zone de charge d’espace Zone ohmique ID VDS VGS = 0IDSS VP VDSmax VDSmax = tension de rupture Zone de saturation Si VDS > Vp ID constant zone de saturation du transistor
  • 6. 6 Fonctionnement du transistor à canal N • VGS < 0 V – VDS = 0 V Si |VGS| l’épaisseur du canal se rétrécit – le canal est totalement pincé lorsque VGS = -Vp • VGS < 0 V – VDS > 0 V Si |VGS| < Vp le canal ne peut être complètement fermé le courant ID qui circule dépend de VDS et VGS Si VDS > VDScoude = Vp – VGS le courant ID n’augmente plus
  • 7. 7 Caractéristiques statiques du TEC à canal N • La caractéristique de transfert est tracée lorsque le transistor est dans la zone de saturation VGS1 VGS2 ID VDS > 0 VGS = 0 IDSS VP Zone de saturation VP+VGS2 Zone ohmique VGS < 0 -VP VGS1 Caractéristique de transfert Caractéristique de Kellog VGS2 VP+VGS1
  • 8. 8 Paramètres statiques du TEC Paramètres obtenus en considérant le montage suivant : Paramètres d’entrée : IG et VGS Paramètres de sortie : ID et VDS La tension VGS est toujours négative la jonction Grille-Source est polarisée en inverse donc IG ≈≈≈≈ 0 FTEC IG VGS ID VDS TEC Grille Source Source Drain
  • 9. 9 Paramètres statiques du TEC • Loi de variation du courant ID Zone ohmique : VDS < VDScoude = Vp + VGS avec Vp > 0 et VGS < 0 Zone de saturation : VDS > VDScoude 1 avec Vp > 0 et VGS < 0 Dans ce cas ID est indépendant de VDS • Résistance Grille-Source la jonction Grille-Source est polarisée en inverse donc IG ≈≈≈≈ 0 ≈≈≈≈ 10 MΩΩΩΩ très grande
  • 10. 10 Paramètres statiques du TEC • Résistance Drain Source dépend de la zone d’utilisation du TEC • Pente de la caractéristique ID = f(VGS) dans la zone de saturation ! avec 1 " # $ # Pour VGS = 0 ID = IDSS gm = gm0 (valeur maximale) Pour –Vp < VGS < 0 % $ #
  • 11. 11 Polarisation du TEC à canal N en zone de saturation Objectif de la polarisation : Fixer les valeurs des tensions VGS0, VDS0 et du courant ID0 pour l’utilisation du transistor en alternatif Conditions à respecter : –Vp < VGS ≤ 0 et VDS ≥ 0 ++++ avec IG très faible (IG ≈≈≈≈ 0) & RG élevée RD et RS servent à limiter le continu RD VDD > 0 RS RG IG ID IS G S D Exemple : polarisation automatique en zone de saturation
  • 12. 12 Polarisation du TEC à canal N – Droite de polarisation '()*+,-. /0 1* /2-,+0 /0 3-1*2,4*+,-. or IG ≈≈≈≈ 0 et & Equation de la droite de polarisation ou droite d’attaque RD VDD > 0 RS RG IG ID IS S D Exemple : polarisation automatique en zone de saturation VGS VDS IDSS VGS < 0 -VP VGS0 1 56 57 ID0
  • 13. 13 Polarisation du TEC à canal N – Droite de charge statique Equation de la droite de charge statique Car & 8 9 Equation de la droite de charge statique RD VDD > 0 RS RG IG ID IS S D Exemple : polarisation automatique en zone de saturation VGS VDS VGS0 VGS2 ID VDS VGS = 0 IDSS VDS0 ID0
  • 14. 14 Le TEC en régime dynamique • Schéma équivalent du TEC en alternatif dans la zone de saturation Le transistor est considéré comme un quadripôle • Le quadripôle est décrit en utilisant les paramètres admittances : ;$$< ;$"< ;"$< ;""< avec < < Ces grandeurs représentent de petites variations autour du point de fonctionnement iG vGS iD vDS iG iD vGS vDS G D S
  • 15. 15 • Schéma équivalent du TEC en alternatif dans la zone de saturation =>> ?@ ? A ? B = ?@ ? A C > D =>> & 0 car jonction Grille Source polarisée en inverse => ?@ ? A ? B = ?@ ? A C => & 0 car jonction Grille Source polarisée en inverse = > ?@ ? A ? B = ?@ ? A C FG pente de la caractéristique ID = f(VGS) = ?@ ? A ? B = ?@ ? A C > D Le TEC en régime dynamique
  • 16. 16 Schéma équivalent du TEC en alternatif BF • Schéma équivalent général H $ < < $ < • Schéma équivalent simplifié I6 → ∞ et I → ∞ ! iG vGS iD vDSRGS gm vGS RDS G D S iG vGS iD vDS G gm vGS S D
  • 17. 17 Amplificateur à TEC à polarisation automatique • Montage source commune Les accès d’entrée et de sortie sont et Les capacités C1, C2 et Cs sont des capacités de découplage 1 2 RL 2C2 RD VDD > 0 RS RG S D Rg 1 C1 v1(t) v2(t) CS eg(t)
  • 18. 18 Etude statique du montage (théorème de superposition) • Schéma équivalent en continu Le point de fonctionnement du transistor est imposé par les éléments du montage ID0, VGS0 et VDS0 sont fixés un signal alternatif vGS(t) peut être superposé au signal continu VGS0 RD VDD > 0 RS RG IG ID IS S D Détermination des droites d’attaque et statique de sortie (voir diapositives 12 et 13) VGS VDS
  • 19. 19 • Schéma électrique en régime sinusoïdal • Schéma équivalent (RGS et RDS sont négligées) Etude dynamique du montage (théorème de superposition) RL RD RG S D Rg v1(t) v2(t) eg(t) i1(t) i2(t) iG vGS iD vDS G gm vGS S D RG Rg RLRD v1(t) eg(t) v2(t) i1(t) i2(t)
  • 20. 20 Etude dynamique du montage (théorème de superposition) • Droite de charge dynamique (d’après le schéma de la diapositive 19) La droite de charge dynamique ∆∆∆∆ est la droite passant par le point de fonctionnement de coordonnées (ID0 , VDS0) et de pente 8> DL MM D DL9 D DL D équation de la droite de charge dynamique Une petite variation de la tension d’entrée vGS(t) autour de VGS0 entraine des variations de courant iDS(t) autour de ID0 et de tensions vDS(t) autour de VDS0 N DLD DL9 D O O IP I IPI QN 5 BR B
  • 21. 21 t VGS0 VGS2 ID VDS > 0 VGS = 0 IDSS VGS < 0 -VP VGS0 VDS0 ID0 vGS(t) t iD(t) t Droite de charge dynamique vDS(t) Analyse du circuit : application du théorème de superposition S % T Q R U % V Q R S % T Q R
  • 22. 22 Caractéristiques électriques de l’amplificateur en fonctionnement alternatif iG vGS iD vDS G gm vGS S D RG Rg RLRD v1(t) eg(t) v2(t) i1(t) i2(t) Gain en tension GV W W Gain en courant GI W Résistance d’entrée Re Résistance de sortie Rs !
  • 23. 23 Autres types de montage RL 2C2 RD VDD > 0 RS RG S D Rg 1 C1 v1(t) v2(t) eg(t) • Montage drain commun • Grille commune RL 2C2 RD VDD > 0 RS S D Rg 1 C1 v1(t) v2(t) eg(t) G
  • 24. 24 Comportement du TEC à haute fréquence • Si la fréquence augmente, des capacités parasites intrinsèques au transistor CGS, CGD et CDS interviennent Les deux premières sont du même ordre de grandeur (qq pF), la dernière plus faible peut être négligée iG vGS iD vDSCGS gm vGS RDS G D S CGD