IGFET de type épuisement

Les transistors à effet de champ à grille isolée sont des dispositifs unipolaires tout comme les JFET :c'est-à-dire que le courant contrôlé ne doit pas traverser une jonction PN. Il y a une jonction PN à l'intérieur du transistor, mais son seul but est de fournir cette région d'appauvrissement non conductrice qui est utilisée pour restreindre le courant à travers le canal.

Symbole schématique et diagramme physique

Voici un schéma d'un IGFET canal N de type « épuisement » :

Remarquez comment les fils de source et de drain se connectent à chaque extrémité du canal N et comment le fil de grille se fixe à une plaque métallique séparée du canal par une fine barrière isolante. Cette barrière est parfois constituée de dioxyde de silicium (le principal composé chimique présent dans le sable), qui est un très bon isolant. En raison de cette construction métal (porte) - oxyde (barrière) - semi-conducteur (canal), l'IGFET est parfois appelé MOSFET. Il existe cependant d'autres types de construction IGFET, et "IGFET" est donc le meilleur descripteur pour cette classe générale de transistors.

Remarquez également qu'il existe quatre connexions à l'IGFET. En pratique, le fil de substrat est directement connecté au fil de source pour rendre les deux électriquement communs. Habituellement, cette connexion est établie en interne à l'IGFET, éliminant la connexion de substrat séparée, ce qui donne un dispositif à trois bornes avec un symbole schématique légèrement différent :

Avec la source et le substrat communs, les couches N et P de l'IGFET finissent par être directement connectées l'une à l'autre via le fil extérieur. Cette connexion empêche toute tension d'être appliquée à travers la jonction PN. En conséquence, une région d'épuisement existe entre les deux matériaux, mais elle ne peut jamais être étendue ou réduite. Le fonctionnement JFET est basé sur l'expansion de la région d'épuisement de la jonction PN, mais ici dans l'IGFET, cela ne peut pas se produire, donc le fonctionnement IGFET doit être basé sur un effet différent.

En effet, lorsqu'une tension de commande est appliquée entre la grille et la source, la conductivité du canal est modifiée en raison du rapprochement ou de l'éloignement de la région d'appauvrissement de la grille. En d'autres termes, la largeur effective du canal change tout comme avec le JFET, mais ce changement de largeur de canal est dû au déplacement de la région d'appauvrissement plutôt qu'à l'expansion de la région d'appauvrissement.

IGFET canal N

Dans un IGFET à canal N, une tension de contrôle appliquée positive (+) à la grille et négative (-) à la source a pour effet de repousser la région d'épuisement de la jonction PN, d'étendre le canal de type N et d'augmenter la conductivité :

L'inversion de la polarité de la tension de contrôle a l'effet inverse, en attirant la région d'épuisement et en rétrécissant le canal, réduisant ainsi la conductivité du canal :

La grille isolée permet de contrôler les tensions de n'importe quelle polarité sans danger de polarisation directe d'une jonction, comme c'était le cas avec les JFET. Ce type d'IGFET, bien qu'on l'appelle un "type d'épuisement", a en fait la capacité d'avoir son canal soit épuisé (canal rétréci) soit amélioré (canal étendu). La polarité de la tension d'entrée détermine de quelle manière le canal sera influencé.

Comprendre quelle polarité a quel effet n'est pas aussi difficile qu'il y paraît. La clé est de considérer le type de dopage semi-conducteur utilisé dans le canal (canal N ou canal P ?), puis de relier ce type de dopage au côté de la source de tension d'entrée connectée au canal au moyen du fil de source. Si l'IGFET est un canal N et que la tension d'entrée est connectée de sorte que le côté positif (+) soit sur la grille tandis que le côté négatif (-) est sur la source, le canal sera amélioré à mesure que des électrons supplémentaires s'accumulent sur le côté canal de la barrière diélectrique. Pensez, "négatif (-) est en corrélation avec le type N, améliorant ainsi le canal avec le bon type de porteur de charge (électrons) et le rendant plus conducteur". Inversement, si la tension d'entrée est connectée à un IGFET à canal N dans l'autre sens, de sorte que le négatif (-) se connecte à la grille tandis que le positif (+) se connecte à la source, les électrons libres seront "volés" du canal comme le charges de condensateur de canal de grille, appauvrissant ainsi le canal des porteurs de charge majoritaires et le rendant moins conducteur.

IGFET canal P

Pour les IGFET à canal P, la polarité de la tension d'entrée et les effets de canal suivent la même règle. C'est-à-dire qu'il faut juste la polarité opposée en tant qu'IGFET à canal N pour épuiser ou améliorer :

Illustrant les polarités de polarisation appropriées avec des symboles IGFET standard :

Lorsqu'il n'y a aucune tension appliquée entre la grille et la source, l'IGFET conduira le courant entre la source et le drain, mais pas autant de courant que s'il était amélioré par la tension de grille appropriée. Cela place l'IGFET de type à appauvrissement, ou simplement de type D, dans une catégorie à part dans le monde des transistors. Les transistors à jonction bipolaire sont des dispositifs normalement bloqués :sans courant de base, ils empêchent tout courant de traverser le collecteur. Les transistors à effet de champ à jonction sont des dispositifs normalement activés :avec une tension grille-source appliquée nulle, ils permettent un courant de drain maximal (en fait, vous pouvez amener un JFET à des courants de drain plus importants en appliquant une très faible tension de polarisation directe entre la grille et source, mais cela ne doit jamais être fait en pratique au risque d'endommager sa fragile jonction PN). Les IGFET de type D, cependant, sont normalement des dispositifs à moitié activés :sans tension grille-source, leur niveau de conduction se situe quelque part entre la coupure et la saturation complète. En outre, ils toléreront les tensions grille-source appliquées de n'importe quelle polarité, la jonction PN étant à l'abri des dommages dus à la barrière isolante et en particulier la connexion directe entre la source et le substrat empêchant toute différence de tension à travers la jonction.

Ironiquement, le comportement de conduction d'un IGFET de type D est étonnamment similaire à celui d'un tube électronique de la variété triode/tétrode/pentode. Ces dispositifs étaient des régulateurs de courant contrôlés en tension qui permettaient également au courant de les traverser avec une tension de contrôle nulle appliquée. Une tension de contrôle d'une polarité (grille négative et cathode positive) diminuerait la conductivité à travers le tube tandis qu'une tension de l'autre polarité (grille positive et cathode négative) augmenterait la conductivité. Je trouve curieux que l'une des dernières conceptions de transistors inventées présente les mêmes propriétés de base que le tout premier dispositif (électronique) actif.

Simulation SPICE d'IGFET de type D

Quelques analyses SPICE démontreront le comportement de régulation du courant des IGFET de type D. Tout d'abord, un test avec une tension d'entrée nulle (grille court-circuitée à la source) et l'alimentation balayée de 0 à 50 volts. Le graphique montre le courant de drain :

n-channel igfet courbe caractéristique m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Comme prévu pour tout transistor, le courant contrôlé reste stable à une valeur régulée sur une large plage de tensions d'alimentation. Dans ce cas, ce point régulé est de 10 µA (1.000E-05 Amps). Voyons maintenant ce qui se passe lorsque nous appliquons une tension négative à la grille (en référence à la source) et balayons l'alimentation sur la même plage de 0 à 50 volts :

n-channel igfet courbe caractéristique m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Sans surprise, le courant de drain est désormais régulé à une valeur inférieure de 2,5 µA (au lieu de 10 µA avec une tension d'entrée nulle). Appliquons maintenant une tension d'entrée de l'autre polarité, pour améliorer l'IGFET :

n-channel igfet courbe caractéristique m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Avec le transistor amélioré par la petite tension de contrôle, le courant de drain atteint maintenant une valeur accrue de 22,5 µA (2,250E-05 ampères). Il devrait être évident à partir de ces trois ensembles de chiffres de tension et de courant que la relation entre le courant de drain et la tension grille-source est non linéaire, comme c'était le cas avec le JFET. Avec 1/2 volt de tension d'épuisement, le courant de drain est de 2,5 µA; avec une entrée de 0 volt, le courant de drain monte jusqu'à 10 µA; et avec 1/2 volt de tension d'amélioration, le courant est de 22,5 µA. Pour mieux comprendre cette non-linéarité, nous pouvons utiliser SPICE pour tracer le courant de drain sur une plage de valeurs de tension d'entrée, en passant d'un chiffre négatif (appauvrissant) à un chiffre positif (améliorant), en maintenant la tension d'alimentation de V1 à une valeur constante :

n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .end

Tout comme avec les JFET, cette non-linéarité inhérente de l'IGFET a le potentiel de provoquer une distorsion dans un circuit amplificateur, car le signal d'entrée ne sera pas reproduit avec une précision de 100 pour cent à la sortie. Notez également qu'une tension grille-source d'environ 1 volt dans le sens de l'épuisement est capable de pincer le canal de sorte qu'il n'y a pratiquement pas de courant de drain. Les IGFET de type D, comme les JFET, ont une certaine tension nominale de pincement. Cette note varie en fonction de l'unique précise du transistor et peut ne pas être la même que dans notre simulation ici.

Courbe caractéristique de l'IGFET

En traçant un ensemble de courbes caractéristiques pour l'IGFET, nous voyons un modèle similaire à celui du JFET :

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur les transistors à effet de champ à grille isolée