Transistors à effet de champ (j-fet et MOSFET)

Autour du bloc N nous ajoutons maintenant un anneau de silicium dopé P. L'anneau n'est pas encore connecté pour le moment. A première vue, on pourrait croire qu'il ne va rien se passer en ce qui concerne la conduction électrique, mais ce n'est pas vrai. La zone P van créer une zone de déplétion où il n'y a plus d'électrons libres (comme pour une diode). La zone de déplétion est indiquée en jaune sur la figure.

Le résultat est que la zone où les électrons peuvent circuler est restreinte par la zone de déplétion. La résistance entre source (-) et drain (+) est devenue plus élevée. Nous n'avons pas encore appliqué de tension au gate.

Si nous polarisons négativement la zone P, on a une situation de diode polarisée inversément: la tension négative augmente la zone de déplétion et la zone où les électrons peuvent circuler librement se réduit encore plus. La résistance entre source et drain augmente et le courant diminue. Il n'y a pas de courant qui circule dans le gate car la diode est polarisée inversément.

A partir d'une certaine tension, la zone de déplétion est devenue si grande qu'elle bouche le canal où pouvaient circuler les électrons. Le transistor n'est plus en conduction.

Il est possible de polariser le gate positivement et nous obtenons l'effet inverse: la zone de déplétion se réduit et les électrons peuvent circuler plus facilement. La résistance du transistor diminue.

Mais quand la tension arrive aux alentours de 0.6V, la diode entre en conduction et il y a un courant qui circule entre source et gate. Ce courant bouffe une partie des électrons en circulation, ce qui fait que le courant commence à diminuer. C'est une zone de fonctionnement qui n'est pas utilisée.

Le second graphique nous montre le courant d'anode pour une tension de gate (tension dde drain de +5V).

Il y a deux grandes différences avec les transistors normaux:

• A l'entrée: le J-FET est commandé par une tension alors qu'un transistor classique est commandé par un courant.
  Quand le J-FET travaille dans sa zone de fonctionnement normale, il n'y a pas de courant qui circule dans le gate.

• En sortie: le J-FET se comporte comme une résistance variable, tandis qu'un transistor se comporte comme une source de courant variable.
  Le courant de drain d'un J-FET est proportionnel à la tension appliquée entre source et drain, tandis que la tension du collecteur n'influence que peu le courant de collecteur.

Ce qu'il faut retenir, c'est que le transistor à effet de champ à jonction existe, mais qu'il est peu utilisé. Ce que nous voulons, c'est un type de transistor qui puisse être commandé par une tension de même polarité que l'anode. Ce composant existe, c'est un MOSFET.

On va ajouter une couche d'isolant extrèmement fine entre la zone N et P (un oxide métallique isolant). La couche est si fine que l'effet de la zone P est toujours présent et il y a toujours une zone de déplétion. Au repos, la zone de déplétion est même devenue si épaisse qu'elle bouche totalement le canal N. Aucun courant ne peut circuler entre cathode et anode quand le gate n'est pas polarisé.

Si nous mettons une tension positive sur le gate, cela va réduire la zone de déplétion. A partir d'une certaine tension (par exemple 2V voir l'exemple), le transistor va entrer en conduction. Comme le gate est isolé, il n'y a pas de courant qui y circule.

La plupart des mosfet ne sont pas en conduction quand la tension de gate est de 0V et entrent en conduction avec une tension positive. Il existe également des mosfet qui sont déjà en conduction avec une tension de 0V et dont on peut régler la conduction avec une tension de gate négative (conduction moindre) ou positive (conduction plus importante). Ce type de mosfet n'est que peu utilisé car il nécessite une tension de commande négative comme les j-fet.

Les mosfet au contraire des j-fet ont un comportement (courant anodique) qui les rapproche plus des transistors classiques: le courant n'augmente que modérément avec la tension (plus qu'avec un transistor classique, mais mois qu'avec un transistor j-fet).

Un point négatif des MOSFET, c'est la couche isolante qui est extrèmement fine et qui peut facilement être endommagée si la tension sur le gate devient trop élevée (aussi bien positive que négative). La valeur limite est par exemple de 30V. Les décharges électrostatiques peuvent également endommager le gate, c'est pour cela que les transistors MOSFET sont conservés avec les connections en court-circuit ou dans un sachet ESD spécifique. Quand la couche isolante est percée, le transistor va se comporter comme j-fet et ce n'est vraiment pas un effet qu'on recherche: le transistor conduit alors qu'aucune tension n'est appliquée sur le gate! Dans la plupart des applications, cela conduit à la destruction rapide du transistor (et d'autres composants).

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

L'entrée est comparable à celle d'un mosfet, ces transistors sont donc commandés en tension, mais ici aussi il faut un courant minimum pour vaincre les capacités parasites. Une tension positive de 8V (dépend du type) met le transistor en conduction.

La sortie ressemble à un transistor classique: alors qu'un mosfet en conduction se comporte comme une résistance (avec la tension qui augmente linéairement avec le courant), le transistor se comporte comme une diode en conduction avec la tension qui croit logaritmiquement avec le courant.

Les IGBT sont donc principalement utilisés pour les courants très importants, ce qui permet de réduire les pertes. Les IGBT ont également des avantages des mosfet, notament la commande en tension et le fait qu'on peut placer plusieurs modules en parallèle sans mesures particulières. Un transistor qui chaufferait plus qu'un autre voit automatiquement son courant maximal diminuer, ce qui réduit la dissipation et évite le "second breakdown".

Les premiers IGBT avaient un peu les caractéristiques des thyristors, avec un blocage en conduction (latch up) quand le courant dépassait une certaine valeur. Les transistors modernes n'ont plus cet inconvénient et ils ne se bloquent plus en conduction, même avec un courant de cours circuit: la résistance interne du transistor limite automatiquement le courant à une valeur telle qu'un latch up n'est pas possible.

Les transistors sont utilisés pour des alimentations à commutation et des onduleur très haute puissance, chaque transistor pouvant commander une puissance de plus de 100kW.