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Transistors à effet de champ

Collecteur
Base
Émetteur
Drain
Grille
Source

Figure 1 : Comparaison des symboles du JFET et du transistor bipolaire

Collecteur
Base
Émetteur
Drain
Grille
Source

Figure 1 : Comparaison des symboles du JFET et du transistor bipolaire

Même si les transistors bipolaires (npn/pnp) ont créé une véritable révolution dans l’électronique, la faible impédance du duo émetteur-base rend difficile d’ajuster les impédances dans un circuit d’amplification. Les transistors à effet de champ (en anglais Field Effect Transistor ou FET) pallient à ce problème en utilisant la tension, et non le courant base-émetteur, pour contrôler le passage du courant amplifié en créant un champ électrostatique.

Les éléments d’un type particulier de transistor à effet de champ, celui à jonction (JFET), sont présentés dans la figure 1: la grille, la source et le drain. La grille correspond à la base dans le transistor bipolaire mais ce nom le relie directement à la grille de contrôle dans un tube à vide comme le thyratron. La source et le drain correspondent respectivement à l’émetteur et au collecteur dans le transistor bipolaire.

Drain
Grille
Source
Barre de
silicium
de type-n
Canal
Matériau
de type-p
injecté

Figure 2 : Structure d’un JFET

Drain
Grille
Source
Barre de
silicium
de type-n
Canal
Matériau
de type-p
injecté

Figure 2 : Structure d’un JFET

The construction of a JFET is shown in figure 2. A solid bar, made either of n- type or p- type material, forms the main body of the device. Diffused into each side of this bar are two deposits of material of the opposite type from the bar material, which form the „gate”. The portion of the bar between the deposits of gate material is of a smaller cross section than the rest of the bar and forms a „channel” connecting the source and the drain. Figure 2 shows a bar of n- type material and a gate of p- type material. Because the material in the channel is n- type, the device is called an N-channel JFET.

La figure 2 montre la structure d’un JFET de type n (JFET canal N). Un bloc de type-n est ceint par deux zones de matériaux de type p qui forment la « grille ». Cette portion du semi-conducteur est plus mince que le reste du bloc et forme donc un canal qui relie la source et le drain. Le JFET canal P est de construction identique mais en inverse les types de matériaux.

Comme les transistors bipolaires, ces deux JFET se distinguent seulement par la polarité appliquée à la grille. La flèche sur leur symbole sur un diagramme électronique pointe toujours dans vers le matériau de type n. Pour le JFET canal N, la flèche pointe donc vers la grille (le genre de plaque) et inversement pour le JFET de canal P.

Fonctionnement d’un FET

The key to FET operation is the effective cross-sectional area of the channel, which can be controlled by variations in the voltage applied to the gate. This is demonstrated in the figures which follow.

Drain
Grille
Source
VDD=+5V
Zone
désertée

Figure 3 : Fonctionnement d’un JFET avec polarisation nulle

Drain
Grille
Source
VDD=+5V
VGG=-1V
Zone
désertée

Figure 4 : Fonctionnement avec une polarisation inverse

Drain
Grille
Source
VDD=+5V
Zone
désertée

Figure 3 : Fonctionnement d’un JFET avec polarisation nulle

Drain
Grille
Source
VDD=+5V
VGG=-1V
Zone
désertée

Figure 4 : Fonctionnement avec une polarisation inverse

Le principe du transistor à effet de champ est de réduire ou d’augmenter la largeur du « canal » en variant la tension de polarisation de la grille. La figure 3 montre un JFET ayant une tension de 5 volts appliquée entre la source et le drain et donnant un courant à travers le bloc de type n. La grille est elle reliée à la masse, comme la source, ce qui rend la polarisation nulle. Dans cet exemple, la résistance (R) est de 500 ohms et le courant source-drain (ID) est mesuré par un milliampèremètre en série. Avec une tension de 5 volts (VDD), le courant noté est donc de 10 milliampères (loi de Ohm: VDD = R x ID).

Dans la figure 4, une faible tension de –1 volt est appliquée par une source VGG à la grille de type p du JFET. Cela met la grille en polarisation inverse à cause de la jonction pn entre la grille et le canal. Comme dans le cas d’une diode à capacité variable, ou varactor, la polarisation inverse augmente la zone désertée non conductrice et par conséquent réduit la largeur du canal. Cette réduction cause une augmentation de la résistance (R) entre la source et le drain et diminue le courant ID qui y passe. En augmentant suffisamment la tension de polarisation inverse, il est possible de réduire le canal à zéro, rendant la résistance du transistor infinie et le courant nul. C’est ce qui est appelé la « tension de pincement ». Celle-ci est similaire à la « ension de coupure » des tubes à vide.

Le principal avantage du FET, comme mentionné antérieurement, est sa grande impédance. Un microampèremètre entre la grille et la source montrerait qu’avec le VGG de -1 volt, le courant serait de 0,5 microampères et l’impédance de 2 méga-ohms loi de Ohm 1V / 0.5µA). Un transistor bipolaire avec la même polarisation donnerait un courant base-émetteur de 0,1 à 1 milliampères avec une impédance de 1 000 ohms ou moins.

L’exemple précédent est tiré d’un JFET canal N mais celui de canal P est identique, seule la tension est inversée : il demande une tension positive pour être polarisé de façon inverse. Dans ce cas, le courant va du drain vers la source.

Utilisation des JFET
Entrée
Sortie

Un JFET comme amplificateur

Entrée
Sortie

Un JFET comme amplificateur

Figure 5 shows a basic common-source amplifier circuit containing an N-channel JFET. The characteristics of this circuit include high input impedance and a high voltage gain. The function of the circuit components in this figure is very similar to those in a triode vacuum tube common-cathode amplifier circuit. C1 and C3 are the input and output coupling capacitors. R1 is the gate return resistor. It makes the gate negative with respect to the source. It prevents unwanted charge buildup on the gate by providing a discharge path for C1 furthermore. R2 and C2 provide source self-bias for the JFET. The voltage drop across R2 makes the source positiver than the ground level. C2 avoids a negative feedback effect of R2. R3 is the drain load resistor, which acts like the collector load resistor.

USortie
t
UEntrée
t

Figure 6 : Différence de phase causée par un amplificateur JFET

Le changement de phase de 180 degrés entre l’entrée et la sortie est la même que pour un circuit à transistor commun. La raison de ce changement est expliquée par le fonctionnement du transistor. Par exemple, lorsqu’on introduit un signal alternatif dans sa phase positive à l’entrée du JFET canal N, la polarisation inverse de la grille de type p est réduite ce qui augmente la section efficace du canal, diminue la résistance source-drain et augmente le courant y passant. Cela a pour effet d’augmenter la tension aux bornes de R3 ce qui par rétroaction diminue la tension au niveau du drain.

Durant la portion négative du cycle du signal, la polarisation inverse augmente sur la grille et l’action du circuit est inverse de celle décrite antérieurement. Le résultat de ce processus est que le signal amplifié de sortie est à 180 degrés de la phase du signal d’entrée.

USortie
t
UEntrée
t

Figure 6 : Différence de phase causée par un amplificateur JFET