Formation a la préparation de la licence radioamateur F6CRP Radioamateur.org formation, examen, licence, radioamateur, reglementation, technique
Technique - FET


Nous allons voir ici un autre type de transistor très utilisé dans tout le spectre de la radioélectricité. Son comportement diffère notablement du transistor bipolaire, bien que la finalité assignée à ce composant soit la même.
Rappel :

Jusqu'à présent nous n'avons étudié comme transistor que le modèle bipolaire.
On l'appelle bipolaire car pour faire transiter les charges il utilise et les électrons et les trous laissés par les électrons.
Aujourd'hui nous allons étudier un transistor unipolaire dont le fonctionnement ne dépendra que des trous ou que des électrons.

Je n'ai pas voulu au long de ce traité, entrer dans le monde de la matière, ayant souhaité ces pages plus technologiques qu'autre chose. Exceptionnellement nous allons déroger pour le FET.
Observez bien sa structure, intuitivement vous devinez que si l'on élargit la zone notée "P" on doit arrivé à fermer le canal N et ainsi bloquer la conduction. De même cette zone permet de réguler le débit d'électrons à la manière d'un robinet. Fondamentalement c'est le fonctionnement d'un transistor FET pour

Field Effet Transistor

fet1.gif (2050 octets)

fet2.gif (1421 octets)

A votre gauche, le symbole du FET (en français TEC, c'est très peu usité).
On pourra grosso modo assimiler la gate à la base d'un transistor unipolaire, le drain au collecteur et la source à l'émetteur.
C'est seulement une image vous permettant de vous repérer.
Remarquez la flèche rentrante sur la gate, ceci nous indique un FET canal N, une flèche sortante indiquerait un FET canal P

 

Appliquons des tensions et regardons ce qui se passe :

1 - Notez que la gate (grille en français) est polarisée négativement.

2 - le drain est polarisé positivement, la source est à la masse.

fet3.gif (1687 octets)

Si nous appliquons sur la gate une tension fortement négative par rapport à la source, le transistor sera bloqué.
Si nous rendons de moins en moins négative cette tension, le transistor commencera à conduire entre Drain et Source.
La commande d'un FET s'effectue en tension

Examinons la caractéristique de drain :

fet4.gif (2327 octets) Elle ressemble comme deux gouttes d'eau à la caractéristique d'un transistor bipolaire sauf qu'en abscisse nous avons la tension DRAIN-SOURCE et en ordonnée le Courant Id.
La vraie différence ne se situe pas là. Sur le transistor bipolaire nous commandions le courant Ic par le courant Ib. Ici nous commandons Id par la tension Vgs (tension entre Gate et Source).
Ceci est fondamental, un FET se commande en tension.
Remarquez  que le transistor conduit pour des tension négative de Vgs. Plus la différence entre gate et source diminue, plus le transistor débite.

Quelques remarques sur cette caractéristique :
1 - la tension Vgs doit passer (sur cet exemple de 0 à -3V) pour faire débiter le transistor de presque rien à son courant maximal. Il faut donc une assez grande excursion du signal d'entrée pour procurer une grande variation de Id.

2 - le FET se commande donc en tension, l'impédance d'entrée est très très élevée, aucun courant (ou presque) n'est consommé sur l'étage précédent (normal Zi est très grand).

3 - Cette caractéristique de Drain ressemble beaucoup à la caractéristique de collecteur du transistor bipolaire. On y trouve une zone de saturation, une zone active et une zone de blocage.

4 - Dès que l'on a quitté la zone de saturation, la région active est très plate et le transistor est utilisable sur une grande plage de Vds. Au delà d'une certaine valeur de Vds, la jonction entre dans la zone de claquage et le courant s'envole.



Les caractéristiques tension-courant du FET :

Vgs : tension entre gate et source. C'est la tension de polarisation du FET qui va commander le courant qui va s'écouler du drain vers la source. Ce courant est appelé Id

Vds : tension entre drain et source, identique au concept Vce

Vgs(blocage) :tension pour laquelle le transistor est bloqué et ne débite plus
Id : courant qui circule entre Drain et source

Idss : courant de drain quand la gate est court-ciruitée, càd Vgs=0. Ce courant représente le courant maximum que peut débiter le transistor


Caractéristique de transconductance :

Ne soyez pas effrayé, c'est juste un terme nouveau qui va être bien utile. La caractéristique de transconductance permet de calculer le courant de drain Id pour toute tension gate-source Vgs

fet5.gif (2788 octets) Il y a une petite formule qui synthétise le tout. Pour vous amuser prenez Excel, et essayez de tracer la courbe que vous voyez à gauche pour les valeurs de Vgs = de -3,5 V à 0V avec Idss=10mA et Vgs blocage = -4V
Voici la formule :

                                      Vgs
Id =  Idss    [  1 -   ___________ ] 2
                                   Vgs blocage




Bon assez disserté, passons à la pratique avec la polarisation des transistors FET:

Comme vous vous en doutez, il y a plusieurs techniques pour polariser un transistor FET. Pour polariser convenablement ce type de transistor, nous devrons tenir compte de ses qualités et de ses défauts. Un des "défauts" majeurs du FET est que son courant Idss varie d'un modèle à un autre dans de grandes proportions, le constructeur étant incapable d'assurer une fourchette stable de caractéristiques sur une même série. Il faudra donc concevoir une polarisation qui élimine ce critère.

La polarisation automatique :

Voici le schéma. On a placé une résistance de charge dans le drain, une résistance de source Rs et une résistance Rg qui a pour tâche de mettre la gate à la masse. Comme un courant négligeable circule dans cette résistance la chute de tension est pratiquement nulle et la gate est bien au potentiel de masse.
Comment la polarisation s'effectue t'elle alors ?
Nous savons que Id dépend de Vgs, donc c'est la tension présente à la source du transistor qui va le polariser (Vgs = Vg -Vs).

fet6.gif (1662 octets)

Supposons que pour une raison ou une autre Id augmente, cela va provoquer une augmentation de la chute de tension aux bornes de Rs (Urs= Id x Rs). Cette tension sera positive, conséquemment la tension Vgs va devenir plus négative puisque Vgs = Vg - Vs. Ceci aura pour effet de diminuer Id, le but recherché est atteint.

Droite de polarisation :

La gate est au potentiel de masse, donc Vg=0.
La source est au potentiel Vs= Id x Rs
La tension Vgs= Vg - Vs
Vgs = 0 - Id x Rs
Vgs = - Id Rs
Si Vgs=0 alors  Id =0
Si Vgs = -1 alors Id = 1/Rs
Si Vgs = -2 alors Id = 2/ Rs
etc
On démontre que la droite de polarisation a pour pente -1/Rs.

Voilà comment sera polarisé notre transistor à effet de champ. Le point de repos R sera positionné comme suit :

Id = 4 mA
pour Vgs = -1,5 V

(attention , c'est un exemple farfelu, utilisé juste pour décrire la polarisation).

fet7.gif (2991 octets)



Autre forme de polarisation, la polarisation par pont diviseur et résistance de source :

Comme pour le transistor bipolaire, nous allons utiliser cette polarisation qui a toutes les qualités (ou presque !) Toutefois la stabilisation du point de repos par ce procédé sera quand même moins efficace que sur un transistor bipolaire
Déterminons la valeur de la tension de gate par rapport à la masse.
           R2
Vg= ________  x Vcc
         R1 + R2

Déterminons la tension présente à la source Vs
Vs =  Vg - Vgs

Déterminons le courant drain Id
           Vg - Vgs
Id =  _________
               Rs
La tension sur le drain sera égale à
Vd = Vcc - Rd.Id

fet8.gif (1877 octets)



Et un exemple applicatif :

fet9.gif (1963 octets) Soit le montage suivant, on se propose de déterminer les courants et tensions sachant que Vgs= -1V.

Nous cherchons à déterminer Id, calculons pour commencer la tension présente sur la gate Vg.

Nous avons un pont de 2 résistances identiques, la tension sera égale à Vcc/2 soit 6 V.
Nous savons (c'est l'exposé) que Vgs = -1V, donc nous pouvons calculer Id
           Vg - Vgs                     6 - (-1)
Id=   ____________      =       _________      =  1,25 mA
               Rs                             5600

Calculons la chute de tension aux bornes de Rd:
Urd =  Rd x Id = 1000 x 0,00125 = 1,25 V
La tension Vds s'établit à  Vds = Vcc - rdId - RsId = 3,75 V


Et le FET en amplification ?
(source commune)
Le transistor est fait pour amplifier des signaux et le EFT ne déroge pas. Nous allons faire une étude simplifiée sur le montage source commune qui est au FET ce que l'émetteur commun est au bipolaire. Nous avions pu établir quelques formules approximatives et simples pour le bipolaire car nous pouvions approximer la valeur de la résistance en alternatif de la jonction base-émetteur. Pour un FET, nous utiliserons une autre valeur déterminée par le constructeur et appelée Transconductance

La transconductance notée gindique la capacité qu'à la gate de commander le courant drain en dynamique. Elle s'exprime en Siemens (pratiquement en µS) et est donnée pour chaque type de transistor à effet de champ.
gm   représente les variations de Id par rapport à Vgs
Plus gm  est grand plus la commande de gate aura d'influence sur ID. gm est donnée pour un courant déterminé.
D'autre par,
gm   croit avec Id

La gain en tension  A d'un amplificateur à FET est donné par :

A = - gm   Rd


Notez que les transistors FET se caractérisent par une très grande impédance d'entrée (plusieurs Mgohm)
Et si nous reprenons notre exemple précèdent sachant de gm   = 3000 µS, nous pourrons calculer notre amplification à vide, càd sans charge, facilement.

A =
- gm    Rd

A = -3000 10-6 x 1000 = 3
(ce n'est pas un gros amplificateur!)

fet10.gif (2132 octets)



Bien, arrêtons nous ici pour l'étude du FET, ce qui importe c'est de comprendre que la commande s'effectue en tension et non pas en courant comme pour le transistor bipolaire. Il existe d'autre types de FET (MOS, GaAs etc). Vous aurez l'occasion d'y revenir si vous êtes intéressé par le sujet.