Une des plus importante caractéristique des transistors à effet de champ est qu’ils ont une impédance d’entrée très élevée. Ils sont donc idéaux pour des applications de type interrupteur analogique ou amplificateur à haute impédance d’entrée.

Dans cet article je vous propose de vous expliquer le principe de fonctionnement du transistor à effet de champ à jonction ou junction field effect transistor (JFET) en anglais. On trouve deux grandes familles de transistors à effet de champ : celui à jonction (JFET) et celui à grille isolée (par exemple le MOSFET). Je vais m’intéresser ici au JFET uniquement car son principe de fonctionnement est simple à comprendre. Nous l’avons déjà rencontré dans par exemple le circuit du Duende JFET qui est un boost à transistor à effet de champ, à jonction donc comme son nom l’indique.

L’objectif de cet article est de vous donner une vision générale du fonctionnement interne du JFET, sans calculs.

1 Principe de fonctionnement du transitor à effet de champ à jonction (JFET)

1.1 Il faut cultiver son jardin

Peut-être connaissez vous le principe de fonctionnement des transistors bipolaires (ceux de type NPN ou PNP) ? Et bien le transistor à effet de champ fonctionne sur un principe totalement différent, et est d’une certaine manière beaucoup plus simple à comprendre.

Il consiste en un barreau conducteur dit « canal » doté de 2 électrodes aux extrémités. Ces électrodes sont nommées source et drain. En appliquant une tension aux bornes de ces 2 électrodes on obtient un courant, que l’on va appeler courant de drain. Et on va changer la conductivité du canal en appliquant une tension sur une électrode de contrôle appelée grille (gate en anglais).

C’est comme si on avait un tuyan parcouru par un courant d’eau dont on contrôlerait le débit en appuyant plus ou moins avec son pied sur le milieu du tube :

La pédale d'effet du jardinier (vue d'esprit).
La pédale d’effet du jardinier (vue d’esprit).

En modulant la pression du pied on module identiquement le courant qui circule dans le tuyau.

Dans un amplificateur à base de JFET, le signal de la guitare – qui est une petite modulation avec le temps s’applique sur la grille (donc la botte), et on recueille cette même modulation mais de plus grande amplitude au niveau du courant de drain (donc le jet d’eau).

Voilà, c’est aussi simple que ça !

1.2 Différences principales entre transistor à effet de champ et transistor bipolaire

Voyons quelques différences entre FET (field effect transistor) et BJT (bipolar junction transistor) :

  • La grande différence est que dans les transistors à effet de champ le courant est transporté par un seul type de porteur, soit des électrons, soit des trous. Soit on a un courant d’électrons, on a alors un JFET à canal N. Soit on a un courant de trous et on a donc un JFET à canal P. C’est pour cette raison qu’on les qualifie de transistors unipolaires pour les différentier du transistor bipolaire (NPN ou PNP) où les 2 types de porteurs sont mis en jeu.
  • Un transistor FET permet d’avoir une impédance d’entrée beaucoup plus grande que le BJT.
  • Le FET est plus stable en température
  • Le FET est moins bruyant
  • Le BJT a un plus grand gain que le FET
  • Le FET est contrôlé en tension, le BJT en courant

Ces différences font que dans un cas on préfèrera l’un ou l’autre type de transistor suivant l’application que l’on souhaite réaliser. Par exemple, pour un amplificateur simple on préfèrera le BJT. Par contre, pour un buffer, on préfèrera un FET en raison de sa plus grande impédance d’entrée. Et parfois on combinera un FET en entrée suivi d’un BJT pour amplifier d’avantage.

2 Description un peu plus poussé du fonctionnement du transistor à effet de champ

Afin de comprendre comment la tension de grille modifie le courant de drain, pour bien faire, on doit faire un peu de physique des matériaux. Mais pas de soucis, je vais expliquer les choses avec les mains ! Pour plus de détails vous trouverez dans l’article sur la jonction PN les explications de ce que sont un semiconducteur, un semiconducteur dopé N ou P, ce qu’est la conduction d’électrons et de trous et comment fonctionne une jonction PN, une des briques fondamentales de nos composants.

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Note importante : dans la suite je ne vais considérer le cas que d’un JFET à canal N. La logique est la même pour un canal P.

2.1 Semi-conducteurs : mise au point

Ce que nous avons imagé comme un tuyau est en fait un bout de silicium de type N. Je le noterai Si-N.

Qu’est-ce qu’un semi-conducteur de type N ? Dans les matériaux, du point de vue électrique on distingue

  • les isolants, qui ne laissent pas passer le courant
  • les métaux, qui conduisent très bien le courant
  • les semi-conducteurs, que l’on peut voir comme des isolants qui conduisent un peu (on pourrait aussi les voir comme des métaux qui conduisent très mal, mais on pourrait montrer que ce n’est pas une bonne comparaison).

Quel est donc l’intérêt des semi-conducteurs me direz vous ?

Ce sont des matériaux très intéressants car on peut par exemple contrôler leur conductivité en y implantant ce qu’on appelle des dopants. Plus le matériel sera dopé, plus il sera conducteur.

Certains semi-conducteurs sont capables d’émettre de la lumière, c’est comme cela que l’on obtient des diodes électroluminescentes (LED) dont l’efficacité est redoutable.

À l’inverse on se sert aussi des semi-conducteurs pour transformer l’énergie solaire en électricité : c’est l’effet photo-voltaïque.

C’est donc grâce à la découverte des semi-conducteurs que l’on a pu créer les transistors bipolaires, à effet de champ, les diodes, etc… donc que la microélectronique a vu le jour.

Pour la petite histoire, c’est la théorie de la mécanique quantique inventée par Einstein et ses potes qui a permis tout ça, donc merci Albert !

2.2 Description du tunnel *

*Voir « l’Ombra di Verdi » de Marc Ducret

Penchons nous donc sur le canal. Nous avons dit plus haut que c’est un bout de semi-conducteur de type N.

Qu’est-ce qu’un semi-conducteur de type N ? On peut l’expliquer ainsi : c’est un matériau peu conducteur à la base que l’on a rendu très conducteur en lui injectant une très grande quantité d’atomes qui ont la propriété de céder un de leur électron. Par conséquent, le semi-conducteur de type N est bourré d’électrons de conduction, comme un métal. Il est donc très conducteur de l’électricité.

Mais pourquoi n’utilise t’on donc pas un métal pour le canal, ce serait plus simple, nan ?

Oui, mais avec un métal on ne pourrait pas modifier la conduction du courant avec la grille. On peut dire que ce serait comme si le tuyau était tellement dur que la botte ne pourrait pas appuyer dessus.

Voilà donc, le canal c’est un bout de semi-conducteur bien conducteur sur lequel on ajoute 2 électrodes aux extrémités, la source et le drain. En appliquant une tension positive sur le drain, on a un courant de drain ID qui apparaît, il sort du « + » de la pile. Par conséquent, les électrons qui sortent de la borne négative de la pile arrivent à la source du canal et sortent par le drain.

Schéma du canal d'un transistor à effet de champ à jonction ou JFET. C'est un barreau de silicium dopé N, très conducteur pour les électrons. En appliquant une tension positive, on obtient un courant que l'on appelle courant de drain. Le substrat sert à soutenir l'ensemble. Les rectangles jaunes sont les électrodes de source et de drain.
Schéma du canal d’un transistor à effet de champ à jonction ou JFET. C’est un barreau de silicium dopé N, très conducteur pour les électrons. En appliquant une tension positive, on obtient un courant que l’on appelle courant de drain. Le substrat sert à soutenir l’ensemble. Les rectangles jaunes sont les électrodes de source et de drain.

2. 3 Électrode de contrôle : la grille

Penchons nous maintenant sur la grille, c’est-à-dire l’électrode qui nous permettra de contrôler la conductivité du canal.

Imaginons que l’on ait un bout de silicium dopé N. Il est donc plein d’électrons et est bon conducteur. Imaginons également que l’on ait un autre bout de silicium, mais cette fois-ci dopé P. Ceci veut dire qu’il est plein de trous.

Explication succincte de ce que sont les trous : Pour obtenir un bout de silicium dopé P, on implante cette fois-ci des atomes qui vont attraper les électrons du silicium. On obtient donc plein de lacunes en électrons, on appelle ces lacunes en électrons des trous, et ces trous se déplacent lorsqu’on soumet le matériau à une tension électrique. Par conséquent, on traite ces trous comme s’ils étaient des électrons, ils portent une charge électrique positive mais ont cependant une mobilité moins grande. Et donc le silicium dopé P a également une très bonne conduction grâce à la conduction des trous.

Association P-N

Que se passe t’il maintenant si on assemble un bout de silicium dopé N avec un bout de silicium dopé P ?

Est-ce comme faire côtoyer matière et anti-matière ?

Le tout va t’il exploser ?

Et bien non, ce n’est pas à ce point. Mais il se passe quand même quelque chose d’intéressant : les électrons de conduction du Si dopé N vont diffuser dans le Si dopé P et les trous du Si dopé P vont diffuser dans le Si dopé N :

Lorsque l'on met en contact un silicium dopé N (Si-N) et un silicium dopé P (Si-P) les porteurs (respectivement électrons et trous) se recombinent dans la zone de contact. On obtient une zone libre de porteurs de charge que l'on appelle zone de déplétion ou zone de charge d'espace.
Lorsque l’on met en contact un silicium dopé N (Si-N) et un silicium dopé P (Si-P) les porteurs (respectivement électrons et trous) se recombinent dans la zone de contact. On obtient une zone libre de porteurs de charge que l’on appelle zone de déplétion ou zone de charge d’espace.

Les électrons et les trous vont alors se recombiner vu que les trous sont un espace libre pour les électrons. On obtient donc au milieu une zone sans particules conductrices, que l’on appelle zone de déplétion ou zone de charge d’espace.

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Tout cet ensemble a pour nom une jonction PN et a la propriété de ne laisser passer le courant que dans un seul sens. Vous l’avez donc deviné, c’est comme cela que l’on fabrique les diodes au silicium. Je vous invite à lire l’article sur la jonction PN pour des explications plus détaillées.

Intérêt de la jonction PN

Ce qui nous intéresse ici pour le fonctionnement du transistor à effet de champ, c’est ce qui va se passer lorsque l’on va polariser la jonction en inverse, c’est-à-dire en appliquant une tension positive sur le Si-N et une tension négative sur le Si-P :

En polarisant une jonction PN en inverse, la zone de déplétion croît en largeur. Le courant inverse est très faible. C'est un courant de fuite.
En polarisant une jonction PN en inverse, la zone de déplétion croît en largeur. Dans cet configuration, le courant qui peut exister est extrêmement faible.

En polarisant l’ensemble de la sorte, on permet aux électrons et aux trous des régions respectivement Si-N et Si-P d’envahir d’avantage de terrain. Par conséquent, la zone de déplétion augmente de taille et vient empiéter davantage les zones dopées.

En résumé : en appliquant une tension inverse à une jonction PN, on va jouer sur la largeur de la zone de déplétion.

2.3 Structure du transistor à effet de champ JFET

Structure schématique du transistor

Rassemblons tout ce que nous avons vu jusque là et schématisons la structure d’un transistor à effet de champ à jonction ou JFET :

Structure schématique d'un transistor à effet de champ à jonction (JFET). La source est l'électrode de référence, elle est mise à la masse (0V).
Structure schématique d’un transistor à effet de champ à jonction (JFET). La source est l’électrode de référence, elle est mise à la masse (0V).

On retrouve le substrat en bas de tout qui sert de support aux différentes couches. Le silicium dopé N sert de canal. On lui connecte l’électrode de source à gauche et de drain à droite. Au dessus on a déposé une couche de silicium dopé P. Par conséquent, on crée une jonction PN et une zone de déplétion, dépourvue d’électrons et de trous de conduction apparait à la frontière.

Au dessus de la couche de silicium dopé P on a déposé l’électrode de grille.

Polarisons le transistor

Mettons l’électrode de source à la masse, donc à 0 V.

En appliquant une tension positive sur l’électrode de drain, nous avons vu qu’un courant apparaît. Nous l’avons appelé courant de drain.

En appliquant une tension négative sur la grille, on polarise la jonction PN en inverse. Donc la zone de déplétion s’agrandit et rétréci le canal. Celui-ci, en se rétrécissant, voit sa conductivité diminuer. C’est comme lorsque l’on appuie sur le tuyau !

Vous noterez sur la figure précédente que la zone de déplétion s’étend davantage du côté drain que du côté source. En effet, vu qu’on applique une tension positive au drain pour obtenir un courant, la tension est plus grande du côté drain que du côté source. La jonction PN est donc « plus en inverse » du côté drain que du côté source, d’où l’aspect trapézoïdal de la zone de déplétion sur le schéma.

Nous voyons donc bien que grâce à l’électrode de grille, nous somme capables de changer la conductivité du canal et donc de moduler le courant qui passe dans le canal !

Et l’intérêt de tout cela est qu’en modulant la tension de grille avec un petit signal, on obtient une modulation importante du courant de drain.

Il est important de noter que vu que la jonction PN est polarisée en inverse, aucun courant ne passe à travers la grille (c’est un courant très petit, comme le courant inverse d’une diode). Par conséquent l’impédance de la grille est très grande, c’est pour cela que les JFET son très bons dans les applications de type buffer. Cela en fait également des FET de meilleurs composants que les BJT pour faire des interrupteurs.

3 Caractéristiques I-V du transitor à effet de champ JFET

Maintenant que nous avons vu comment en appliquant une tension sur la grille nous modifions la conductivité du canal, voyons les courbes courant tension (I-V) de ce composant.

Nous allons d’abord voir le comportement du transitor pour une tension de grille nulle, puis nous verrons ce qui se passe lorsque la tension de grille augmente dans le négatif.

Notons que pour que le transistor fonctionne la tension de grille doit être négative car si elle est positive la jonction PN est passante, on court-circuite alors le canal et la grille ce qui n’est pas très intéressant…

3.1 Tension de grille nulle VG = 0 et VD petit

Voici le schéma du transitor pour ce cas de figure :

Schéma d'un JFET pour une tension de grille VG nulle et VD positif et petit. Notez que la zone de déplétion est trapézoïdale, cela est dû au fait que la tension de drain est plus grande que la tension de source.
Schéma d’un JFET pour une tension de grille VG nulle et VD positif et petit. Notez que la zone de déplétion est trapézoïdale, cela est dû au fait que la tension de drain est plus grande que la tension de source.

La source est notre électrode de référence, on la met donc à la masse, elle est donc à 0 V. Vu qu’on veut la grille à 0 V également, il suffit de connecter la grille et la source entre elles.

En appliquant une tension positive sur l’électrode de drain, un courant noté ID apparaît entre source et drain. Ainsi, tant que la tension de drain n’est pas trop grande, le barreau de silicium dopé N agit comme une simple résistance.

On trouve donc comme dans une résistance une loi linéaire, c’est la loi d’Ohm (U=R x I) :

Sur ce graph j’ai représenté le courant de drain ID en fonction de la tension VD avec VS=VG=0. On voit bien la dépendance linéaire entre ID et VD. Linéaire signifie que si VD augmente du double, et bien ID augmente également du double.

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3.2 Tension de grille nulle VG = 0 et VD > VDsat

Maintenons VG=0 et augmentons plus franchement VD.

Puisque entre le drain et la grille nous avons une jonction PN, la zone de déplétion se déploie vers le drain. Et si la tension de drain est trop grande, la zone de déplétion va fermer le canal :

Schéma d’un JFET pour une tension de grille VG nulle et VD > VDsat. Le canal se pince au niveau du drain, ce qui fait saturer le courant de drain ID.

Appelons tension de saturation de drain VDsat la tension pour laquelle ce pincement arrive. Dans ce cas là, les électrons qui circulent dans le canal voient d’une part un canal bouché, d’autre part une force électrique qui les poussent à passer vers le drain. Les 2 phénomènes se compensent, et au final on obtient un courant de drain qui est limité et donc qui reste constant. Il n’augmente plus même si on augmente la tension de drain :

Ce graph complète le précédant. On voit qu’après le régime linéaire apparait un régime de saturation où le courant n’augmente plus. Ce courant de saturation drain source se note IDSS dans les datasheets des transistors. C’est en fait le courant maximum qui peut circuler dans le JFET que vous consultez.

3.3 Maintenant faisons VG < 0

Voyons finalement ce qui se passe en augmentant VG dans le négatif, c’est à dire en le diminuant.

La situation n’est guère différente de la situation précédente, si ce n’est que la zone de déplétion est plus uniformément répartie sous la grille :

Schéma d'un JFET (déjà vu au dessus) dans le cas VG < 0 et VD < VDsat. Dans ce cas la zone de déplétion se déploie plus uniformément dans le canal.
Schéma d’un JFET (déjà vu au dessus) dans le cas VG < 0 et VD < VDsat. Dans ce cas la zone de déplétion se déploie plus uniformément dans le canal.

Par conséquent, on observera toujours les régime linéaire lorsque VD<VDsat et de saturation lorsque VD>VDsat.

Cependant, vu que le canal est rétréci d’emblée par l’application d’une tension de grille non nulle, le courant de drain est globalement plus petit que dans le cas VG=0.

Voici donc les caractéristiques courant-tension de drain pour différentes tensions de grille :

J’ai superposé à la courbe I-V précédente (VG=0) les courbes I-V pour VG<0. On observe que :

  • le courant global diminue lorsque VG augmente dans le négatif
  • On a le régime linéaire pour VD<VDsat
  • On a le régime de saturation pour VD>VDsat
  • Et pour une valeur limite de VG on n’a plus de courant du tout.

Étayons ce dernier point. À partir d’une certaine valeur de VG le canal est obturé quelque soit la valeur de VD. Le transistor est bloqué, la tension de grille correspondante est appelée tension de pincement ou tension de cut off, que j’ai noté VP pour tension de pincement mais que l’on voit souvent notée VGS(off) dans les datasheets en anglais.

3. 4 Résumé des caractéristiques

Dans le graph suivant, j’ai repris les caractéristiques courant-tension de drain (ID-VD) du graph précédant et je lui ai ajouté à gauche les caractéristiques courant de drain-tension de grille (ID-VG) dans le régime de saturation :

À gauche : caractéristiques courant de drain-tension de grille (ID-VG), à droite : caractéristiques courant-tension de drain (ID-VD) déjà vues plus haut. À gauche on se place pour VD>VDsat. On trouve que lorsque VG=0, le courant de drain est maximal. Lorsque VG=VP, le courant de drain est nul (VP<0).

Le graphique de gauche nous montre que lorsque VG=0, le courant de drain est maximal. Lorsque VG=VP, le courant de drain est nul. Par conséquent :

  • Le courant maximum qui peut circuler est IDSS et existe lorsque VG=0V et VD>VDsat
  • Lorsque VG<VP le courant qui circule dans le transistor est nul : ID=0
  • Pour toute valeur de VG comprise entre 0 et VP, ID est compris entre IDSS et 0 respectivement.

Le graphique de gauche permet également de trouver le point de fonctionnement d’un circuit à base de JFET. À partir de là on pourra faire par exemple faire l’analyse du circuit amplificateur à base de JFET en faisant une analyse aux petits signaux.

4 Aperçu d’un datasheet

Voici pour finir une petite illustration concrète des paramètres vus ici. Voici un extrait de datasheet des 2N5457 et 2N5458, des JFET bien souvent utilisés dans les pédales d’effet. J’ai surligné en rouge les 2 valeurs que l’on a vu plus à savoir la tension de cut off VGS(off) et le courant de saturation de drain IDSS :

Comme je disais en introduction on utilise le JFET dans des applications d’amplification de petits signaux ou de commutation. On peut aussi travailler dans la zone linéaire et obtenir une résistance variable commandée en tension.

Dans un prochain article je montrerai quelques exemples pratiques d’applications du JFET dans des circuits audio pour guitare !

Voici les références sur lesquelles je me suis appuyé pour rédiger cet article. N’hésitez pas à y jeter un coup d’oeil pour aller plus loin !

Références :

Paul Horowitz, Winfield Hill, The Art Of Electronics, Cambridge University Press
Henry Mathieu, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Ed. Dunod

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