VIII. Transistor à effet de champ (TEC). Première partie

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Introduction au TEC. Le fonctionnement du TEC, forme du canal. Utilisation, montages classiques.

1. Introduction au TEC

Le transistor à effet de champ est un dispositif à porteurs majoritaires ; c’est un dispositif à courant contrôlé par une tension.

Il comprend trois électrodes :

  • S : la source,

  • D : le drain,

  • G : la grille.

Cette dernière étant l’électrode de commande (grille est la traduction du terme anglo-saxon gate, par analogie avec les tubes électroniques).

On distingue deux grandes familles de transistor de ce type :

  1. les transistors à effet de champ à jonction FET (Field Effect Transistor)

  2. les transistors à effet de champ à grille isolée par une couche d’isolant :

    • MOS (Métal oxyde semi-conducteur)

    • MIS (Métal isolant semi-conducteur)

La partie du barreau comprise entre les deux jonctions est le canal.

Les transistors à canal N sont les plus utilisés ; ce sont ceux que nous étudierons.

Les jonctions sont polarisées en inverse. Les tensions de polarisation de grille et drain sont appliquées par rapport à la source : \[V_{gs}<0\quad;\quad V_{ds}>0\]

2. Fonctionnement du TEC

2.1. Principe

Le principe de fonctionnement du transistor à effet de champ est beaucoup plus simple que celui du transistor bipolaire.

Un champ électrique appliqué par l’intermédiaire d’une électrode, dite grille (ou porte) va moduler la conductance d’un canal entre une zone, dite source, et une zone dite drain, contrôlant ainsi le courant circulant entre les deux électrodes correspondantes.

Sur ce principe de base, beaucoup de structures ont pu être imaginées et réalisées. Ainsi, le champ électrique peut être appliqué par l’intermédiaire de :

  • une capacité constituée souvent par une couche de diélectrique (souvent \(S_iO_2\)) et une couche métallique : les structures résultantes portent le nom général de transistors MOS ;

  • une jonction métal / semi-conducteur(diode Schottky) polarisée en sens inverse, les structures sont alors appelées transistors à effet de champ ou FET.

  • une jonction PN dans le semi-conducteur lui-même que l’on polarisera également en sens inverse ; on obtiendra alors des transistors à effet de champ à jonction ou JFET.

En l’absence de tension appliquée à la grille, les électrodes de drain et de source sont en tête-bêche par deux jonctions PN, c’est-à-dire que, quel que soit le sens de la tension appliquée entre le drain et la source, il n’y aura pas de courant entre ces deux électrodes.

Si l’on applique maintenant sur la grille une tension positive suffisante, on provoque à la surface du silicium une accumulation de porteurs minoritaires, c’est-à-dire ici des électrons, ce qui produira une inversion du type de conductivité en générant un canal de type N. Ce canal va relier les zones N de source et de drain et l’application d’une différence de potentiel \(V_{DS}\) donnera lieu à un courant drain-source \(I_{ps}\).

La tension de grille qui donne lieu au début de l’inversion de type en surface (apparition du canal n) est appelée tension de seuil \(V_F\) (ou Treshold Voltage). Cette tension de seuil \(V_T\) dépend de la structure, de la quantité des charges présentes dans l’oxyde de la grille \(Q_{SS}\) et de la quantité de charges à la surface du silicium \(Q_B\).

Une expression simplifiée de la tension de seuil \(V_T\) peut être la suivante : \[V_T=V_{TO}+\frac{Q_B+Q_{SS}}{C_{ox}}\qquad[1]\]

  • \(V_{TO}\) dépend de la structure

  • \(C_{ox}\) : capacité MOS de la grille

Lorsque la tension de grille sera supérieure à la tension de seuil, le courant drain – source aura pour expression : \[I_{DS}=K~\frac{W}{L}~(V_G-V_T)^2\qquad[2]\]

  • \(K\) : constante dépendant de la structure

  • \(W\) : largeur du canal

  • \(L\) : longueur du canal (distance drain-source)

Les performances en fréquence de tels dispositifs sont sensiblement inférieures à celles obtenues avec les transistors bipolaires.

En fait, les transistors MOS ou FET sur silicium ne sont guère utilisées en composants discrets. Par contre, leur technologie simple leur confère une grande aptitude à l’intégration et une grande majorité de circuits intégrés sont réalisés avec ces dispositifs.

Seuls des transistors FET à l’arséniure de gallium ont de bonnes propriétés de gain en puissance et en facteur de bruit et sont utilisés en amplification faibles signaux en hyperfréquences.

2.2. Forme du canal

Pour \(V_{gs}\) variable et \(V_ds=0\), la hauteur \(h(x)\) du canal est uniforme. Pour \(V_{gs}=0\) et \(V_{ds}=cte\), le potentiel \(V_{xs}\) dans le canal varie de 0 à \(V_{ds}\). La hauteur du canal diminue de la source vers le drain.

En \(x=0\) (entrée du canal), l’épaisseur de la zone de charge d’espace est faible, due au potentiel de contact \(V_0\).

En \(x=L\) , la tension aux bornes de la jonction est : \[V_0-V_{gd}=V_0-V_{gs}+V_{ds}=V_0+V_{ds}\]

Quand le potentiel \(V_{ds}\) croît, on peut supposer qu’il atteint une valeur pour laquelle le canal se ferme ; cette valeur est \(V_p\), tension de pincement.

L’allure du canal est déterminée par la chute de tension le long du canal (à la limite, près de la fermeture, \(R~\approx~\infty\)).

Il existe toujours un état d’équilibre dans lequel le canal reste ouvert.

Si \(L\) est la longueur du canal et si \(2~H\) est sa hauteur, on aura :

  • pour (\(2~H/L>1\)) des canaux dits longs ;

  • pour (\(2~H/L<1\)) des canaux dits courts.

Il n’y a évidemment pas de limite absolue entre les deux familles.

La vitesse limite des porteurs étant atteinte dans la zone de pincement, pour les structures à canaux courts, cette vitesse est atteinte pratiquement à l’entrée du canal.

2.3. Influence de la température

Le courant de drain est constitué par des porteurs majoritaires ; c’est un courant dû au champ électrique ; il est proportionnel à la mobilité des électrons (pour un canal N).

Quand la température augmente, on sait que la mobilité décroît en \(T^{-2,6}\), en fonction de la température absolue \(T\).

Le courant de drain suit la même loi de variation que la mobilité. Ainsi, quand la puissance \(V~I\) augmente, la température augmente, le courant drain diminue. Il y a autorégulation, sans risque d’emballement thermique comme dans le cas des transistors bipolaires.

Réciproquement, quand la température décroît, le courant de drain croît, mais également la pente \(gm\), ce qui diminue le facteur de bruit \(F_{min}\).

3. Utilisation, montages classiques

Comme pour le transistor bipolaire, on peut utiliser le transistor à effet de champ dans les trois types de montage : source commune, grille commune, drain commun.

La figure montre les deux schémas de polarisation et les trois types de montage en régime alternatif.

Source commune :

– \(Z_e\) et \(Z_s\) élevées.

Grille commune :

– \(Z_e\) faible et \(Z_s\) élevée.

Drain commun :

– \(Z_e\) élevée et \(Z_s\) faible.

On obtient une meilleure stabilité avec le montage en grille commune.

 

 

 

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