Comment le FET est-il un dispositif contrôlé par la tension ?
Le transistor à effet de champ (FET), également appelé transistor à jonction de champ, est un type de transistor dans lequel le courant qui circule entre les deux terminaux principaux, le drain et la source, est contrôlé par la tension appliquée au troisième terminal, appelé la grille (gate). Contrairement aux transistors à jonction bipolaire (BJT), qui sont des dispositifs contrôlés par le courant, les FET sont des dispositifs contrôlés par la tension. Cela signifie que, pour un FET, la variation de la tension entre la grille et la source détermine le débit du courant entre le drain et la source.
Structure et principe de fonctionnement d’un FET
Un FET est composé de trois principaux terminaux : le drain (D), la source (S) et la grille (G). Le FET fonctionne en utilisant un champ électrique pour contrôler la conductivité d’un canal semi-conducteur entre le drain et la source. Le type de FET le plus couramment utilisé est le MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), qui est un type de FET avec une couche d’oxyde entre la grille et le canal. La tension appliquée à la grille (V_GS) modifie l’intensité du courant passant entre le drain et la source. Cette capacité à contrôler le courant via la tension est ce qui fait du FET un dispositif contrôlé par la tension.
Le rôle de la tension de grille (V_GS)
Dans un FET, la tension appliquée entre la grille et la source (V_GS) joue un rôle clé dans la formation et la modulation du canal de conduction entre le drain et la source. Lorsque la tension de la grille est inférieure à une certaine valeur seuil, le canal entre le drain et la source est fermé, et donc le courant ne peut pas circuler. Cette situation est connue sous le nom de mode de coupure ou « off » du FET. En revanche, lorsque la tension de la grille est suffisante pour dépasser ce seuil, un canal conducteur se forme, permettant au courant de circuler entre le drain et la source. C’est ce phénomène qui fait du FET un transistor à commande de tension.
La formation du canal conducteur
Le FET, en particulier le MOSFET, fonctionne en modifiant la largeur du canal conducteur par l’application d’une tension à la grille. Dans le cas d’un MOSFET à canal N, par exemple, lorsque la tension de la grille devient positive par rapport à la source, un canal conducteur de type N se forme dans le matériau semi-conducteur de type P sous la grille. Ce canal permet alors aux électrons de circuler entre le drain et la source. Pour un MOSFET à canal P, la situation est inversée : lorsque la tension de la grille devient négative par rapport à la source, un canal de type P se forme, permettant la circulation des trous (porteurs de charge positifs) entre le drain et la source.
La largeur du canal, et donc la capacité de conduction, dépend directement de la tension de la grille. Plus la tension de la grille (V_GS) est élevée (au-dessus de la tension seuil), plus le canal est large et plus la conductivité du FET est élevée. Inversement, si la tension de la grille est inférieure au seuil, la conductivité du canal est réduite ou complètement bloquée, empêchant ainsi la circulation du courant.
Mode de fonctionnement et zones de conduction
Les FET, comme les MOSFET, peuvent fonctionner dans plusieurs modes en fonction de la tension appliquée à la grille (V_GS) et à la source (V_DS), qui influence la relation entre ces deux éléments et détermine la quantité de courant qui peut circuler entre le drain et la source. Les principaux modes de fonctionnement du MOSFET sont :
- Mode de coupure : Lorsque V_GS est inférieur à la tension seuil (V_th), le canal est fermé et il n’y a pas de courant entre le drain et la source. C’est le mode « off » du transistor.
- Mode linéaire (ou triode) : Lorsque V_GS est supérieur à V_th et que la tension V_DS est faible, le transistor agit comme une résistance variable, permettant un contrôle précis du courant entre le drain et la source.
- Mode de saturation : Lorsque V_GS est supérieur à V_th et que V_DS est suffisamment grand, le MOSFET entre dans un mode de saturation où il fonctionne comme un amplificateur, et le courant entre le drain et la source est relativement stable et peu influencé par V_DS.
Dans le mode linéaire et le mode de saturation, le courant qui passe entre le drain et la source (I_DS) est fonction de la tension de grille (V_GS) et de la tension de drain-source (V_DS). Ainsi, un contrôle précis de la tension appliquée à la grille permet de moduler de manière efficace le courant qui circule à travers le FET.
Avantages du contrôle par tension
Le contrôle par tension dans un FET présente plusieurs avantages par rapport aux autres types de transistors comme les BJT (transistors à jonction bipolaire), qui sont des dispositifs contrôlés par le courant. L’un des principaux avantages est que le FET nécessite une très faible consommation de courant pour contrôler le transistor. Contrairement aux BJT, où un courant de base est nécessaire pour contrôler le courant entre l’émetteur et le collecteur, un FET peut être contrôlé efficacement par une tension sans nécessiter un courant d’entrée significatif, ce qui permet d’économiser de l’énergie et d’améliorer l’efficacité énergétique des circuits.
En outre, en raison de la nature de son contrôle par tension, un FET offre une très grande impédance d’entrée, ce qui signifie qu’il a un impact minimal sur les signaux qu’il reçoit. Cela le rend particulièrement adapté aux applications à faible bruit, comme les amplificateurs audio et les circuits analogiques sensibles.
En conclusion, le transistor à effet de champ (FET) est un dispositif contrôlé par la tension, où la tension appliquée à la grille (V_GS) détermine la formation du canal de conduction entre le drain et la source. Cette capacité à contrôler le courant via la tension permet aux FET de fonctionner efficacement dans une large gamme d’applications, des amplificateurs aux commutateurs, en passant par les circuits logiques et analogiques. Le contrôle par tension offre des avantages significatifs en termes de faible consommation d’énergie, de haute impédance d’entrée et de faible bruit, ce qui en fait un composant essentiel dans les systèmes électroniques modernes.