JFET: pincement, transconductance, canal N/P

JFET: pincement, transconductance, canal N/P

Ce cours approfondi explore les JFET (Junction Field-Effect Transistors), des transistors à effet de champ à jonction. Nous étudierons les concepts de pincement, de transconductance, et les types de canal N/P. La connaissance des JFET est importante pour la conception de préamplificateurs, d’interrupteurs analogiques et d’autres circuits électroniques. MathJax sera utilisé pour les équations.

Structure et Fonctionnement de Base du JFET

Un JFET est un transistor à effet de champ où le courant entre la source et le drain est contrôlé par une tension appliquée à la grille. Contrairement aux MOSFET, la grille d’un JFET forme une jonction PN avec le canal.

  • Drain (D): La borne où le courant sort du canal.
  • Source (S): La borne où le courant entre dans le canal.
  • Grille (G): La borne de contrôle qui forme une jonction PN avec le canal et module la largeur du canal conducteur.
La tension appliquée à la grille modifie la largeur de la zone de déplétion autour de la jonction PN, ce qui contrôle le courant entre le drain et la source.

Exemple 1: Identification des Bornes d’un JFET

Comment identifier les bornes de grille, drain et source d’un JFET à l’aide d’un multimètre ?

Solution: Utiliser la fonction test de diode du multimètre. La grille formera une jonction diode avec le canal (entre le drain et la source), et la jonction se comportera comme une diode. En polarisant directement la jonction, une faible résistance sera mesurée entre la grille et l’une des deux bornes restantes. En inversant la polarisation, une résistance élevée sera mesurée. Pour identifier le drain et la source, il peut être nécessaire de consulter la fiche technique du composant.

Exemple 2: Principe de fonctionnement du JFET

Décrivez comment la tension de grille contrôle le courant de drain dans un JFET à canal N.

Solution: Dans un JFET à canal N, une tension négative appliquée à la grille par rapport à la source (VGS) élargit la zone de déplétion autour de la jonction PN. Cela réduit la largeur du canal conducteur, diminuant ainsi le courant de drain (ID). Une tension de grille plus négative réduit davantage le courant, jusqu’à atteindre la tension de pincement (VP) où le canal est complètement fermé et le courant de drain est pratiquement nul.

Pincement (Pinch-Off)

Le pincement est un phénomène qui se produit dans les JFET lorsque la tension grille-source (VGS) est suffisamment négative (pour un canal N) pour élargir la zone de déplétion au point de fermer complètement le canal. La tension à laquelle cela se produit est appelée tension de pincement (VP).

Lorsque le JFET est en mode de saturation (après le pincement), le courant de drain devient relativement constant et indépendant de la tension drain-source (VDS).

Le courant de drain en saturation (IDSS) est le courant maximal que le JFET peut fournir lorsque VGS = 0V.

L’équation du courant de drain dans la région de saturation est:

\( I_D = I_{DSS} (1 – \frac{V_{GS}}{V_P})^2 \)

Exemple 3: Calcul du Courant de Drain en Saturation

Un JFET à canal N a un courant de drain en saturation (IDSS) de 8 mA et une tension de pincement (VP) de -4 V. Calculez le courant de drain lorsque VGS = -2 V.

Solution: Utiliser la formule : \( I_D = I_{DSS} (1 – \frac{V_{GS}}{V_P})^2 = 8 \times 10^{-3} (1 – \frac{-2}{-4})^2 = 8 \times 10^{-3} (1 – 0.5)^2 = 8 \times 10^{-3} \times 0.25 = 2 \times 10^{-3} \text{ A} = 2 \text{ mA} \) Le courant de drain est de 2 mA.

Exemple 4: Détermination de la Tension de Pincement

Un JFET à canal N a un IDSS de 10mA. Si le courant de drain est de 2.5mA lorsque Vgs = -1V, quelle est la tension de pincement?

Solution: Utiliser la formule : \( I_D = I_{DSS} (1 – \frac{V_{GS}}{V_P})^2 \) Remplacer les valeurs: \(2.5 \times 10^{-3} = 10 \times 10^{-3} (1 – \frac{-1}{V_P})^2 \) Simplifier: \( 0.25 = (1 + \frac{1}{V_P})^2 \) Prendre la racine carrée des deux côtés: \( 0.5 = 1 + \frac{1}{V_P} \) Résoudre pour \(V_P\): \( \frac{1}{V_P} = -0.5 \) \( V_P = -2 \) La tension de pincement est -2V.

Transconductance (gm)

La transconductance (gm) est un paramètre important qui caractérise l’efficacité d’un JFET à contrôler le courant de drain avec la tension de grille. Elle est définie comme la variation du courant de drain par rapport à la variation de la tension grille-source, à tension drain-source constante.

La transconductance est donnée par:

\( g_m = \frac{\partial I_D}{\partial V_{GS}} \bigg|_{V_{DS}=\text{constant}} \)

Pour un JFET en région de saturation, la transconductance peut être exprimée comme:

\( g_m = \frac{2I_{DSS}}{|V_P|} (1 – \frac{V_{GS}}{V_P}) \)

La transconductance maximale (gm0) se produit lorsque VGS = 0V:

\( g_{m0} = \frac{2I_{DSS}}{|V_P|} \)

Exemple 5: Calcul de la Transconductance

Un JFET à canal N a \(I_{DSS} = 12 \text{ mA}\) et \(V_P = -3 \text{ V}\). Calculez la transconductance lorsque \(V_{GS} = -1 \text{ V}\).

Solution: Calcul de la transconductance: \( g_m = \frac{2I_{DSS}}{|V_P|} (1 – \frac{V_{GS}}{V_P}) = \frac{2 \times 12 \times 10^{-3}}{|-3|} (1 – \frac{-1}{-3}) = \frac{24 \times 10^{-3}}{3} (1 – \frac{1}{3}) = 8 \times 10^{-3} \times \frac{2}{3} \approx 5.33 \text{ mS} \) La transconductance est d’environ 5.33 mS (milliSiemens).

Canal N et Canal P (NJFET et PJFET)

Les JFET, comme les MOSFET, existent en deux types de canal :

  • NJFET (N-channel JFET): Le canal est de type N, et le courant est transporté par les électrons. Une tension négative sur la grille (par rapport à la source) réduit le courant de drain.
  • PJFET (P-channel JFET): Le canal est de type P, et le courant est transporté par les trous. Une tension positive sur la grille (par rapport à la source) réduit le courant de drain.
Type de JFET Type de Canal Tension de Grille (VGS) Polarité de la Tension VP
NJFET N Négative (ou 0) Négative
PJFET P Positive (ou 0) Positive