Comprendre les IGFETs Type Déplétion : Conception, Fonctionnement et Analyse SPICE

Les transistors à effet de champ à grille isolée (IGFETs) sont des dispositifs unipolaires, tout comme les JFETs : le courant contrôlé circule entièrement dans un seul type de semi-conducteur, donc aucune jonction PN n'est traversée par le courant.

À l'intérieur du dispositif, une jonction PN existe uniquement pour former la région d'appauvrissement non-conductrice qui limite le courant à travers le canal. La jonction elle-même ne transporte jamais de courant.

Symbole Schématique et Diagramme Physique

Ci-dessous est un schématique d'un IGFET type déplétion canal N :

Remarquez comment les bornes source et drain se connectent aux deux extrémités du canal N, tandis que la grille se connecte à une plaque métallique séparée par une fine barrière isolante — communément du dioxyde de silicium, le composant principal du sable. Cette construction Métal-Oxyde-Semi-conducteur (MOS) est pourquoi beaucoup d'IGFETs sont aussi appelés MOSFETs, bien que « IGFET » décrive mieux toute la classe des dispositifs à grille isolée.

Les IGFETs modernes lient généralement le substrat à la source en interne, produisant un dispositif à trois bornes. Le schématique ci-dessous reflète cette configuration courante :

Puisque le substrat et la source sont électriquement communs, aucune tension ne peut être appliquée à travers la jonction PN interne. Par conséquent, la région d'appauvrissement ne peut être étendue ou effondrée comme dans un JFET ; au lieu de cela, le fonctionnement de l'IGFET repose sur le déplacement de cette région d'appauvrissement par rapport à la grille.

IGFET Canal N

Appliquer une tension positive à la grille par rapport à la source repousse la région d'appauvrissement, élargissant le canal de type N et augmentant la conductivité :

Inverser la polarité attire la région d'appauvrissement, rétrécissant le canal et réduisant la conductivité :

La grille isolée permet toute polarité de tension de commande sans risquer la polarisation directe de la jonction interne — une préoccupation qui limite les JFETs. Bien qu'étiqueté « type déplétion », le dispositif peut être soit déplété (canal rétréci) soit enrichi (canal élargi) selon la polarité de la tension grille-source.

Pour prédire l'effet, faites correspondre le dopage du semi-conducteur du canal (type N ou P) avec le signe de la tension de source. Pour un dispositif canal N, une grille positive et une source négative enrichissent le canal en accumulant des électrons du côté canal du diélectrique. Si les polarités sont inversées, les électrons sont retirés du canal, l'appauvrissant et abaissant la conductivité.

IGFET Canal P

Les dispositifs canal P obéissent au même principe, mais la polarité requise est inversée. Les images suivantes illustrent le biais :

Avec une tension grille-source nulle, un IGFET type déplétion conduit entre source et drain, mais pas à pleine capacité — contrairement aux transistors bipolaires, qui sont normalement bloqués, ou aux JFETs, qui sont normalement passants. En effet, il se comporte comme un dispositif mi-allumé.

Puisque la grille est isolée, l'IGFET tolère des tensions grille-source de toute polarité. La jonction PN est protégée, et la connexion directe source-substrat empêche toute différentielle de tension à travers la jonction.

Remarquablement, le comportement de conduction d'un IGFET type D rappelle celui des premiers tubes à vide, où la tension de grille pouvait soit supprimer soit augmenter le flux d'électrons entre cathode et anode.

Simulation SPICE d'IGFET Type D

Les exécutions SPICE suivantes illustrent la nature régulatrice de courant d'un IGFET type déplétion.

D'abord, avec la grille court-circuitée à la source (0 V) et l'alimentation balayée de 0 V à 50 V, le courant de drain se stabilise à un courant régulé de 10 µA sur toute la plage :

n-channel igfet characteristic curve 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 

Appliquer une tension de grille négative de –0,5 V tout en balayant l'alimentation à nouveau réduit le courant de drain régulé à 2,5 µA :

n-channel igfet characteristic curve 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 

Inversement, une tension de grille positive de +0,5 V augmente le courant à 22,5 µA :

n-channel igfet characteristic curve 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 

Ces résultats confirment la relation non-linéaire entre la tension grille-source et le courant de drain, analogue à celle vue dans les JFETs. Une tension d'appauvrissement d'environ –1 V peut pincer le canal, réduisant le courant de drain virtuellement à zéro. La tension de pincement exacte varie selon les spécifications de chaque dispositif.

Courbe Caractéristique d'IGFET

Tracer plusieurs courbes caractéristiques pour différentes tensions de grille donne un motif similaire à la famille de courbes d'un JFET :

FICHE D'EXERCICES CONNEXE :

• Fiche d'exercices Transistors à Grille Isolée