FET théorie

ISSLg - Cours d'électronique - Électronique (ELO)

Les transistors à effet de champs (FET)

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Généralités pour tous les types de FET

Les transistors à effet de champ ou FET (pour Field Effect Transistor) ont trois broches : Grille, Drain, Source.

Le courant passe via un canal qui peut être de type N ou P.
Pour le canal de type N le courant circule du Drain vers la Source (la tension de Drain doit être supérieure à la tension de Source).
Pour le canal de type P le courant circule de la Source vers le Drain (la tension de Source doit être supérieure à la tension de Drain).

Les FET sont des transistors commandés en tension.
La résistance du canal est commandée par la tension appliquée entre la Grille et la Source.

Il existe trois technologies le JFET, le D-MOSFET et le E-MOSFET.
Les JFET et D-MOSFET sont passant par défaut (en absence de tension sur la grille), il faut commander la grille pour les bloquer.
Le E-MOSFET est bloquant par défaut (en absence de tension sur la grille), il faut commander la grille pour le rendre passant.

Seul le E-MOSFET a un comportement similaire au bipolaire :
un E-MOSFET canal N peut remplacer un NPN ;
un E-MOSFET canal P peut remplacer un PNP.

Le transistor JFET
Transistor à effet de champ à jonction JFET (pour Junction Field Effect Transistor).

La tension appliquée entre la Grille et la Source va élargir la zone d'appauvrissement dans le transistor, ce qui vient rétrécir la section du canal de conduction.
NB : les tensions de grilles ci-dessous de 1V et 3V sont données à titre d'exemple pour un transistor donné, les tensions à appliquer dépendent en effet des caractéristiques du transistor utilisé...

Le JFET canal N

Il est constitué d'un semi-conducteur de type N dans lequel a été dopé un étranglement de type P.
Une zone d'appauvrissement (sans porteur = isolante) se forme à la jonction PN, elle est dessinée en gris dans les schémas ci-dessous.

V_GS <= 0V, la tension de la grille doit être inférieure ou égale à celle de la source :
En effet, si la grille est à une tension supérieure à celle de la source, la jonction PN devient passante (fonctionne en diode et pas en transistor).

V_GS = 0V, si la grille est à la même tension que la source :
La zone d'appauvrissement ne varie pas.
Le canal est large et permet le passage du courant.
La résistance Drain-Source est faible (25Ω).

V_GS = -1V, si la grille est 1V en-dessous de la source :
La zone d'appauvrissement augmente, car ajout d'électrons ou P avec bouchage des trous et retrait d'électrons au N.
Le canal se referme mais permet toujours le passage du courant.
La résistance Drain-Source augmente (100Ω).

V_GS = -3V, si la grille est 3V en-dessous de la source :
La zone d'appauvrissement est maximale.
Le canal est complètement bouché et ne permet plus le passage du courant.
La résistance Drain-Source est énorme (10MΩ).

Symbole du JFET canal N :

(la flèche indique le sens passant G=>S de la jonction)

	Canal N
V_GS = 0V	Passant D=>S
V_GS > 0V	Interdit !!! (jonction PN)
V_GS < 0V	Passant D=>S mais R_DS augmente (jusque bloquant)

Le JFET canal P

Il est constitué d'un semi-conducteur de type P dans lequel a été dopé un étranglement de type N.
Une zone d'appauvrissement (sans porteur = isolante) se forme à la jonction PN, elle est dessinée en gris dans les schémas ci-dessous.

V_GS >= 0V, la tension de la grille doit être supérieure ou égale à celle de la source :
En effet, si la grille est à une tension inférieure à celle de la source, la jonction PN devient passante (fonctionne en diode et pas en transistor).

V_GS = 0V, si la grille est à la même tension que la source :
La zone d'appauvrissement ne varie pas.
Le canal est large et permet le passage du courant.
La résistance Drain-Source est faible (25Ω).

V_GS = 1V, si la grille est 1V au-dessus de la source :
La zone d'appauvrissement augmente, car ajout d'électron ou P avec bouchage des trous et retrait d'électron au N.
Le canal se referme mais permet toujours le passage du courant.
La résistance Drain-Source augmente (100Ω).

V_GS = 3V, si la grille est 3V au-dessus de la source :
La zone d'appauvrissement est maximale.
Le canal est complètement bouché et ne permet plus le passage du courant.
La résistance Drain-Source est énorme (10MΩ).

Symbole du JFET canal P :

(la flèche indique le sens passant S=>G de la jonction)

	Canal P
V_GS = 0V	Passant S=>D
V_GS > 0V	Passant S=>D mais R_DS augmente (jusque bloquant)
V_GS < 0V	Interdit !!! (jonction NP)

Usage des JFET

Interrupteur analogique (multiplexeur, sample & hold, potentiomètre numérique), source de courant, différentiel (haute Zin), R commandée en tension (générateur sinusoïdal)...

Le transistor D-MOSFET
Transistor à effet de champ à semi-conducteur métal-oxyde à appauvrissement ou déplétion : D-MOSFET (pour Depletion Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Dans ce type de transistor, la grille et le canal sont isolés l'un de l'autre et forment un condensateur. Ici, ce n'est plus la zone d'appauvrissement qui va être modulée (elle n'est même plus dessinées dans les graphiques ci-dessous). Mais on va modifier la quantité de porteurs dans le canal par effet capacitif : on va l'enrichir en amenant des charges dans le canal de même signe que les porteurs pour diminuer la résistance du canal ; ou, au contraire, on va l'appauvrir en amenant dans le canal des charges de signe contraire que les porteurs pour augmenter la résistance du canal, voire le rendre bloquant.
NB : les tensions de grilles ci-dessous de 2V sont données à titre d'exemple pour un transistor donné, les tensions à appliquer dépendent en effet des caractéristiques du transistor utilisé...

Le D-MOSFET canal N

Le substrat de type P (en orange) forme un étranglement sous l'isolant de la grille (oxyde de silicium en jaune). Ce substrat est généralement connecté à la source (trait noir).

V_GS = 0, si la Grille est à la même tension que la Source+substrat
Le canal est à sa richesse en porteurs définie à la fabrication. Le courant passe du Drain vers la Source.
La résistance Drain-Source est moyenne.

Si V_GS = 2V, si la Grille est 2V au-dessus de la Source+substrat.
Des charges positives apparaissent sur la grille et des charges négatives apparaissent de l'autre côté de l'isolant dans le canal.
Le canal N est enrichi en électrons. Le courant passe facilement du Drain vers la Source.
La résistance Drain-Source est faible.

Si V_GS = -2V, si la Grille est 2V en-dessous de la Source+substrat.
Des charges négatives apparaissent sur la grille et des charges positives apparaissent de l'autre côté de l'isolant dans le canal.
Ces charges positives neutralisent une partie des électrons du canal N.
Le canal N est appauvri en électrons. Le courant passe difficilement du Drain vers la Source.
La résistance Drain-Source est forte.

A partir d'une certaine tension de seuil V_GSTH (négative) le canal N est complètement vidé de ses porteurs.
Le courant ne passe plus.
La résistance Drain-Source est énorme.

Symbole du D-MOSFET canal N :

Remarques importantes :
1) le canal est représenté par un trait continu, pour exprimer que le transistor est passant par défaut (en absence de tension sur la grille) ;
2) la grille forme un condensateur avec le canal ;
3) le sens de la flèche indique que le substrat est P et que le canal est N ;

	Canal N
V_GS = 0V	Passant D=>S
V_GS > 0V	Passant D=>S et R_DS diminue
V_GS < 0V	Passant D=>S mais R_DS augmente (jusque bloquant)

Le D-MOSFET canal P

Le substrat de type N (en vert) forme un étranglement sous l'isolant de la grille (oxyde de silicium en jaune). Ce substrat est généralement connecté à la source (trait noir).

V_GS = 0, si la Grille est à la même tension que la Source+substrat
Le canal est à sa richesse en porteurs définie à la fabrication. Le courant passe de la Source vers le Drain.
La résistance Drain-Source est moyenne.

Si V_GS = -2V, si la Grille est 2V en-dessous de la Source+substrat.
Des charges négatives apparaissent sur la grille et des charges positives apparaissent de l'autre côté de l'isolant dans le canal.
Le canal P est enrichi en trous. Le courant passe facilement de la Source vers le Drain.
La résistance Drain-Source est faible.

Si V_GS = 2V, si la Grille est 2V au-dessus de la Source+substrat.
Des charges positives apparaissent sur la grille et des charges négatives apparaissent de l'autre côté de l'isolant dans le canal.
Ces charges négatives neutralisent une partie des trous du canal P.
Le canal P est appauvri en trous. Le courant passe difficilement de la Source vers le Drain.
La résistance Drain-Source est forte.

A partir d'une certaine tension de seuil V_GSTH (positive) le canal P est complètement vidé de ses porteurs.
Le courant ne passe plus.
La résistance Drain-Source est énorme.

Symbole du D-MOSFET canal P :

	Canal P
V_GS = 0V	Passant S=>D
V_GS > 0V	Passant S=>D mais R_DS augmente (jusque bloquant)
V_GS < 0V	Passant S=>D et R_DS diminue

Usage des D-MOSFET

Différentiel (haute Zin), interrupteur statique de puissance, source de courant de puissance, protection.

Le transistor E-MOSFET
Transistor à effet de champ à semi-conducteur métal-oxyde à enrichissement ou E-MOSFET (pour Enhanced Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

On pousse le raisonnement du D-MOSFET à l'extrême en amenant le substrat contre l'isolation de la grille. Il n'y a donc plus de canal au repos. Le canal va être créé par effet capacitif en polarisant la grille.
NB : les tensions de grilles ci-dessous de 1V et 2V sont données à titre d'exemple pour un transistor donné, les tensions à appliquer dépendent en effet des caractéristiques du transistor utilisé...

Le E-MOSFET canal N

Le substrat de type P (en orange) arrive contre l'isolant de la grille (oxyde de silicium en jaune). Ce substrat est généralement connecté à la source (trait noir). De par cette fabrication, il y a donc une diode en antiparallèle (en sens bloquant) entre la Source+substrat et le Drain.

V_GS = 0, si la Grille est à la même tension que la Source+substrat
Il n'y a pas de canal. Le courant ne passe pas.
La résistance Drain-Source est énorme.

Si V_GS = 1V, si la Grille est 1V au-dessus de la Source+substrat.
Des charges positives apparaissent sur la grille et des charges négatives apparaissent de l'autre côté de l'isolant dans le substrat.
Ces charges négatives se contentent dans un premier temps de neutraliser les trous du substrat P, il y a création d'une zone d'appauvrissement (en gris ci-dessus).
Il n'y a pas de canal (zone d'appauvrissement=sans porteurs=isolante). Le courant ne passe pas.
La résistance Drain-Source est énorme.

Si V_GS = 2V, si la Grille est 2V au-dessus de la Source+substrat.
Des charges positives apparaissent sur la grille et des charges négatives apparaissent de l'autre côté de l'isolant dans le substrat.
Ces charges négatives sont à présent plus nombreuses que celles nécessaires à la neutralisation des trous du substrat P.
Ces charges négatives excédentaires s'accumulent à la surface du substrat.
A partir d'une certaine tension de seuil V_GSTH, ces charges négatives deviennent suffisamment nombreuses pour former un canal N. Le courant commence à passer.

Lorsque la tension de Grille augmente encore, la résistance Drain-Source s'effondre pour former un quasi-court-circuit entre Drain et Source (seulement quelques centième d'ohms pour les transistors de puissance).

Symbole du E-MOSFET canal N (sans et avec radiateur) :

Remarques importantes :
1) le canal est représenté par 3 traits interrompus, pour exprimer que le transistor est coupé par défaut (en absence de tension sur la grille) ;
2) le sens de la flèche indique que le substrat est P et que le canal sera N ;
3) la diode en anti-parallèle entre Source et Drain est parfois représentée, mais retenir qu'elle est toujours présente de par le mode de fabrication (même si elle n'est pas dessinée).

	Canal N
0V <= V_GS < V_GSTH	Bloquant
V_GSTH < V_GS	Passant D=>S et R_DS diminue plus V_GS devient positif
V_GS < 0V	Bloquant (rarement utilisé)

Le E-MOSFET canal P

Le substrat de type N (en vert) arrive contre l'isolant de la grille (oxyde de silicium en jaune). Ce substrat est généralement connecté à la source (trait noir). De par cette fabrication, il y a donc une diode en antiparallèle (en sens bloquant) entre le Drain et la Source+substrat.

V_GS = 0, si la Grille est à la même tension que la Source+substrat
Il n'y a pas de canal. Le courant ne passe pas.
La résistance Drain-Source est énorme.

Si V_GS = -1V, si la Grille est 1V en-dessous de la Source+substrat.
Des charges négatives apparaissent sur la grille et des charges positives apparaissent de l'autre côté de l'isolant dans le substrat.
Ces charges positives se contentent dans un premier temps de neutraliser les électrons du substrat N, il y a création d'une zone d'appauvrissement (en gris ci-dessus).
Il n'y a pas de canal (zone d'appauvrissement=sans porteurs=isolante). Le courant ne passe pas.
La résistance Drain-Source est énorme.

Si V_GS = -2V, si la Grille est 2V en-dessous de la Source+substrat.
Des charges négatives apparaissent sur la grille et des charges positives apparaissent de l'autre côté de l'isolant dans le substrat.
Ces charges positives sont à présent plus nombreuses que celles nécessaires à la neutralisation des électrons du substrat N.
Ces charges positives excédentaires s'accumulent à la surface du substrat.
A partir d'une certaine tension de seuil V_GSTH ces charges positives deviennent suffisamment nombreuses pour former un canal P.
Le courant commence à passer.

Lorsque la tension de Grille descend encore, la résistance Drain-Source s'effondre pour former un quasi-court-circuit entre Drain et Source (seulement quelques centième d'ohms pour les transistors de puissance).

Symbole du E-MOSFET canal P (sans et avec radiateur) :

Remarques importantes :
1) le canal est représenté par 3 traits interrompus, pour exprimer que le transistor est coupé par défaut (en absence de tension sur la grille) ;
2) le sens de la flèche indique que le canal sera P et que le substrat est N ;
3) la diode en anti-parallèle entre Drain et Source est parfois représentée, mais retenir qu'elle est toujours présente de par le mode de fabrication (même si elle n'est pas dessinée).

	Canal P
V_GSTH <= V_GS <= 0V	Bloquant
V_GS < V_GSTH	Passant S=>D et R_DS diminue plus V_GS devient négatif
0V < V_GS	Bloquant (rarement utilisé)

Usage des E-MOSFET

De très loin le plus utilisé des FET : Circuits logiques (portes, mémoires, processeurs...), commutation (PWM moteur, alimentation à découpage, onduleur), amplification (différentiel d'entrée, push-pull sortie).

Les caractéristiques des FET
Pour choisir un FET parmi les modèles proposés par les fabricants, il faut tenir compte :

De sa technologie : J-FET, Depletion-MOSFET ou Enhanced-MOSFET ;
Attention au piège : DMOS = Double-Diffused MOS (il existe aussi des VDMOS et LDMOS), le D n'a donc rien à voir avec Depletion !!!

Du type de canal : Canal N ou Canal P ;

Du courant de drain maximum I_Dmax qui peut le traverser : de 0.5A à 24A ;

De la tension Drain-Source maximale V_DSmax qu'il peut bloquer : de 20V à 400V ;

Du seuil de tension Grille-Source de seuil V_GSTH à partir de laquelle il devient passant de : 0.5V à 5V ;

De la tension Grille-Source maximale V_GSmax pour ne pas détruire la grille (attention aux décharges électrostatiques) : +/-20V ;

De sa rapidité, son temps d'allumage t_on et son temps de coupure t_off de l'ordre de 10ns.

NB : les ordres de grandeurs correspondent aux transistors du labo, il y a d'autres modèles plus puissants, ou plus rapide, ou pouvant travailler à plus haute tension...

Les boîtiers des FET
Idem que les bipolaires avec correspondance des pins : Base=Grille ; Collecteur=Drain ; Emetteur=Source.

Dans le cas des boitiers métalliques, le boîtier est généralement connecté au Drain.
Attention au TO92 pour lequel le brochage est variable d'un fabricant à l'autre (voir datasheet).

NB : Certains MOSFET ont 4 pins, la quatrième correspond au substrat qui n'est alors pas connecté à la source, ces transistors sont utilisés comme interrupteur analogique et nécessite une polarisation du substrat...

Le test et la manipulation des FET
Les FET se testent généralement aux testeurs de composants.
Il y a moyen de mesurer la résistance de drain au multimètre en polarisant la grille avec une pile 9V, mais ce n'est pas évident...

Attention, les MOSFET sont sensibles aux décharges électrostatiques, toute surtension sur la grille détruit de manière irréversible l'isolant entre la grille et le drain, le MOSFET est alors bon pour la poubelle !!! Utilisez des tapis et bracelets anti-électrostatiques ; déchargez-vous sur la robinetterie avant de manipuler un FET...

Auteur : Philippot Marc - 29/01/2021