Junction Field Effect Transistor

Un transistor de type JFET est un transistor à effet de champ dont la grille est directement en contact avec le canal. On peut distinguer les JFET avec un canal de type N, et ceux avec un canal de type P.



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Schémas de principe d'un JFET à canal N

Un transistor de type JFET (Junction Field Effect Transistor) est un transistor à effet de champ dont la grille est directement en contact avec le canal. On peut distinguer les JFET avec un canal de type N, et ceux avec un canal de type P.

Types et Symboles

Transistor JFET canal P.

De même qu'on distingue deux types de transistors bipolaires, les NPN et les PNP, on distingue aussi deux types de transistors FET à jonction (JFET)  : les JFET canal N et les JFET canal P. Le JFET canal N est le plus utilisé (comme d'ailleurs le transistor bipolaire NPN), son symbole est indiqué ci-dessous dans les schémas de mise en œuvre. Le symbole du JFET canal P est semblable, à part la flèche qui change de sens.

Comme pour les transistors bipolaires, on a le choix entre la plupart de modèles, selon la puissance mise en œuvre et la bande de fréquences à augmenter.

La principale différence entre les transistors bipolaires et les JFET, c'est que les transistors bipolaires sont commandés en courant (il faut apporter au transistor un certain courant de base pour qu'il amène), tandis que le JFET est commandé en tension (le courant drain dépend de la tension Vgs).

Principe de fonctionnement

Schémas d'un JFET à canal N lors d'un fonctionnement normal (VDS>0, VGS<0) avec deux valeurs de polarisation différentes.

Le transistor est constitué par une couche de semi-conducteur peu dopée (canal) positionnée entre deux couches de semi-conducteur de dopage opposé et reliées entre elles pour former l'électrode qu'on appelle la grille (cf. base d'un transistor bipolaire). Les extrémités du canal forment deux autres électrodes appelées le drain (cf. collecteur) et la source (cf. émetteur). Pour un JFET à canal de type N, la grille est de type P. En fonctionnement normal la tension entre le drain et la source est positive (VDS > 0) et celle entre la grille et la source (jonction PN) est négative (VGS < 0). L'augmentation de cette tension inverse fait croître les zones de déplétion (non conductrices) autour du canal jusqu'au pincement de ce dernier. La conduction du canal est par conséquent modulée par la tension VGS.

Caractéristiques électriques

CaractJFET.png
CaractFet2.png

Les deux figures ci-contre représentent :

La caractéristique Id/Vgs est décrite par l'équation :

I_{D} = I_{DSS}\left[1 - \frac{V_{GS}}{V_P}\right]ˆ2

où Idss (Id de court-circuit, short circuit en anglais) est le courant de saturation, obtenu lorsque Vgs est nul, et Vp (tension de pincement, pinch off) est la tension Vgs qui annule Id. Pour le transistor illustré, Idss = 10mA et Vp = -4V.

La principale application des JFET, c'est comme amplificateur de petits signaux. Pour cette application, on polarise le JFET au milieu de la zone linéaire (remarquez que les noms des zones sont inversés comparé aux transistors bipolaires).

Calcul d'un amplificateur petits signaux

Common Source amplifier.png

Polarisation

Le schéma ci-contre montre comment on fixe le point de fonctionnement en continu d'un JFET. Le diviseur R1-R2 fixe le potentiel de la grille ; remarquons qu'ici, contrairement au cas des transistors bipolaires, il n'y a pas lieu de tenir compte du courant grille, car ce dernier est quasi-inexistant. On peut par conséquent écrire :

V_{GM}=V_{DD}rac{R_2}{R_1+R_2}, où VGM est la différence de potentiel entre la grille et la masse.

Le potentiel de la source vaut Id. R4 ; il est supérieur au potentiel de la grille puisque la tension Vgs doit être négative. Le potentiel du drain vaut VDDId. R3.

Prenons un exemple. Proposons-nous de polariser le JFET au point de fonctionnement indiqué sur la caractéristique, soit Id = 2mA et Vgs = -2, 5V. Nous choisissons par exemple de fixer Vgm à 1V. Si Vcc = 12V, on prendra par exemple R2 = 10kΩ et R1 = 110kΩ. Comme Vgs doit valoir -2, 5V, Vs doit valoir 1 + 2, 5 soit 3, 5V. Comme le Id (égal Is) désiré est de 2mA, R4 vaut 3, 5/2.10-3 soit 1, 75kΩ

Le potentiel du drain est le plus souvent fixé approximativement à mi-chemin entre les potentiels de source et Vcc, de manière à permettre une excursion maximum en tension du drain, de part et d'autre du potentiel de repos, quand on applique un signal alternatif à augmenter. Pour fixer Vdm à 8V, on prendra par conséquent une résistance R3 de 2kΩ.

Nous constatons que nous avons un certain nombre de choix à faire, il n'y a pas une seule bonne façon de fixer le point de fonctionnement. Surtout, on peut :

Calcul du gain

Appliquons une petite tension sinusoïdale ve à la grille, à travers un condensateur pour que la source de signaux alternatifs (générateur de signaux, microphone, antenne, autre étage amplificateur) ne modifie pas la polarisation de l'étage.

On trouve successivement id = S. ve ; vs = id. R3 et enfin G = vs / ve = S. R3

où ve est la tension alternative d'entrée (nous utiliserons des minuscules pour désigner les tensions et courants alternatifs), id le courant alternatif de drain, vs la tension de sortie au niveau du drain, G le gain en tension de l'étage, et S la transconductance. Celle-ci peut être définie comme suit : c'est la variation du courant drain due à une variation de la tension grille-source ; elle s'exprime en A/V. Elle est principalement déterminée par le courant continu de drain. En effet, en dérivant l'équation qui donne Id, on trouve :

S = So. (1 - Vgs/Vp) avec So = - 2. Idss/Vp.

Remarque : n'oublions pas que Vgs et Vp sont négatives.

Dans notre exemple, So = 8mA/V, S = 3mA/V et G = 6. Ce gain est bien plus petit que celui qu'on peut obtenir avec un amplificateur à transistor bipolaire.

Quant à la résistance d'entrée de l'étage, elle est égale à R1//R2 puisque la résistance d'entrée du JFET est extrêmement élevée (vu que le courant de grille est quasi-nul). Quand on souhaite une résistance d'entrée élevée, on omet le plus souvent R1 ; dans ce cas, la résistance d'entrée de l'étage est simplement égale à R2.

Autres montages amplificateurs

Montage grille commune

Common Gate amplifier.png

Ce montage a essentiellement été utilisé dans les amplificateurs haute fréquence car il sert à diminuer l'effet Miller. Le gain est identique au montage source commune.

Montage drain commun

Common Drain amplifier.png

Ce montage est essentiellement utilisé comme adaptateur d'impédance. Il présente une résistance d'entrée élevée (en particulier si on supprime R1), mais le gain en tension est inférieur à 1.

Utilisation du JFET en résistance variable

Considérons les caractéristiques Id/Vds au voisinage de 0. Nous constatons que, pour des tensions Vds<1V environ, les caractéristiques forment un faisceau de droites se coupant à l'origine. En réalité, les caractéristiques se prolongent même pour des tensions négatives jusqu'à environ -1V.

L'on peut par conséquent considérer que, quand on applique entre le drain et la source une tension alternative comprise entre -1 et 1V, le JFET se comporte comme une résistance dont la valeur dépend de la tension Vgs ; plus celle-ci est élevée, plus la résistance présentée est faible.

Nous avons par conséquent là l'équivalent d'une résistance commandée par une tension. Cette propriété a été utilisée pour faire des contrôles de volume, des filtres à fréquence de coupure variable etc. Actuellement, ces fonctions sont plutôt confiées à des circuits intégrés spécifiques.

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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