Qu'est-ce que JFET (transistor à effet de champ à jonction) ?

Transistor à effet de champ dont la grille est une jonction pn et qui commande le courant de canal par la largeur de la zone de déplétion, qui s'élargit en polarisation inverse. La plupart sont des dispositifs à déplétion, conducteurs pour une tension de grille de 0 V.

Nom japonais: JFET(接合型FET)

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Domaine: MOSFET

Structure et fonctionnement du JFET

Un JFET (junction field-effect transistor) est un transistor à effet de champ dont la grille est formée par une jonction pn. Dans un JFET à canal n, des régions de grille de type p entourent de part et d'autre un canal de type n reliant source et drain ; polariser en inverse la jonction grille-canal élargit la zone de déplétion, ce qui rétrécit le canal et réduit le courant. Le courant est maximal pour une tension de grille de 0 V (IDSS), et quand la polarisation inverse atteint la tension de pincement, le canal se ferme et le courant s'arrête presque. Dans la région de saturation, le courant de drain est à peu près proportionnel au carré de la différence entre la tension de grille et la tension de pincement.

Différences avec les MOSFET

Un MOSFET sépare la grille du semi-conducteur par un film isolant, alors que la grille d'un JFET est une jonction pn sans isolant. La jonction doit rester polarisée en inverse ; en polarisation directe, un courant de grille circule. La fuite de grille en polarisation inverse est faible, de l'ordre du pA au nA à température ambiante, mais comme il s'agit d'une fuite de jonction, elle augmente fortement avec la température. Les JFET sont en outre fondamentalement des dispositifs à déplétion normalement passants, ce qui les rend inadaptés aux circuits intégrés comme le CMOS, qui combine des transistors de type n et p normalement bloqués. C'est pourquoi les MOSFET dominent comme transistors des circuits intégrés.

Applications à faible bruit

Dans un JFET, le courant circule à l'intérieur du canal et subit moins l'influence des défauts d'une interface avec un isolant que dans un MOSFET, si bien que le bruit basse fréquence (bruit en 1/f) tend à être faible. Les JFET conviennent donc aux préamplificateurs audio, aux étages d'entrée à haute impédance des capteurs et instruments, et à l'amplificateur opérationnel à entrée JFET, dont les courants de polarisation d'entrée sont de l'ordre du pA. L'élément convertisseur d'impédance des microphones à condensateur à électret et la diode régulatrice de courant, qui relie grille et source pour faire passer un courant constant, reposent aussi sur des JFET.

Applications de puissance et structures apparentées

Les JFET en SiC offrent une tension de claquage élevée et une faible résistance à l'état passant, et servent aussi de composants de puissance. Comme un dispositif normalement passant peut être dangereux, par exemple à la mise sous tension, une approche courante est un montage cascode en série avec un MOSFET Si basse tension, afin que la paire puisse être traitée comme normalement bloquée. Dans les MOSFET de puissance planaires, la région pincée entre deux régions de body de type p voisines se comporte comme un JFET et rétrécit le chemin du courant ; sa résistance est donc appelée résistance JFET. Dans les semi-conducteurs composés comme le GaAs, le MESFET, dont la grille est une jonction Schottky, fonctionne selon le même principe.

S'entraîner : questions sur JFET (transistor à effet de champ à jonction)

Dans un montage inverseur utilisant un amplificateur opérationnel à entrée bipolaire, quel est l'objectif de placer entre l'entrée non inverseuse et la masse une résistance égale à la mise en parallèle des résistances d'entrée et de contre-réaction ?

  1. ADoubler le gain
  2. BCompenser l'erreur d'offset en sortie due aux courants de polarisation d'entrée
  3. CProvoquer une oscillation
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Réponse : B. Compenser l'erreur d'offset en sortie due aux courants de polarisation d'entrée

Un courant de polarisation d'entrée circule dans les entrées de l'amplificateur et crée une chute de tension dans la résistance vue depuis l'entrée inverseuse (Ri∥Rf), ce qui produit une erreur en sortie. Une résistance de même valeur côté entrée non inverseuse provoque la même chute sur les deux entrées, qui s'annulent ; seule subsiste l'erreur due à la différence des deux courants (courant de décalage d'entrée). Avec les amplificateurs à entrée CMOS ou JFET, dont les courants de polarisation sont de l'ordre du pA, cette résistance est généralement inutile.

Quel est le principal avantage de la structure à grille en tranchée d'un MOSFET de puissance, où la grille est enterrée dans une tranchée creusée dans le silicium ?

  1. ALa capacité de grille devient nulle
  2. BLa tenue en tension double toujours
  3. CLes cellules peuvent être disposées à forte densité, augmentant la largeur de canal et réduisant la résistance à l'état passant
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Réponse : C. Les cellules peuvent être disposées à forte densité, augmentant la largeur de canal et réduisant la résistance à l'état passant

Dans la structure à grille en tranchée, le canal se forme verticalement sur les flancs de la tranchée : on peut disposer plus de cellules par unité de surface qu'avec la structure planaire, et la largeur totale de canal augmente. De plus, la résistance qui apparaît entre cellules voisines dans la structure planaire (résistance JFET) disparaît, ce qui réduit la résistance à l'état passant. Cette structure domine pour les MOSFET Si basse tension et les IGBT, et se répand dans les MOSFET SiC (où la structure planaire reste aussi très utilisée), mais le champ se concentrant aux angles du fond de tranchée, une structure de protection y est essentielle.

Questions fréquentes

Quelle différence entre un MOSFET et un JFET ?

Un MOSFET isole la grille du semi-conducteur par un film isolant, tandis qu'un JFET forme sa grille par une jonction pn. Un JFET est fondamentalement un dispositif à déplétion, conducteur pour une tension de grille de 0 V, et s'utilise avec la grille maintenue en polarisation inverse. Les MOSFET se rendent facilement normalement bloqués et sont utilisés dans les circuits intégrés CMOS.

Pourquoi un JFET est-il normalement passant ?

Pour une tension de grille de 0 V, un canal de type n (ou p) relie déjà la source et le drain, si bien que le courant circule. On ne peut réduire le courant qu'en polarisant la grille en inverse pour élargir la zone de déplétion.

Que se passe-t-il si la grille d'un JFET est polarisée en direct ?

La jonction pn grille-canal passe en polarisation directe, et dans le silicium un courant de grille commence à circuler dès que la tension dépasse environ 0,5 V. Le JFET perd alors son avantage de haute impédance d'entrée ; c'est pourquoi la grille s'utilise normalement en polarisation inverse ou près de 0 V.

« JFET (transistor à effet de champ à jonction) » dans les explications

Questions mentionnant « JFET (transistor à effet de champ à jonction) » (2)

  1. Dans un montage inverseur utilisant un amplificateur opérationnel à entrée bipolaire, quel est l'objectif de placer entre l'entrée non inverseuse et la masse une résistance égale à la mise en parallèle des résistances d'entrée et de contre-réaction ?
  2. Quel est le principal avantage de la structure à grille en tranchée d'un MOSFET de puissance, où la grille est enterrée dans une tranchée creusée dans le silicium ?

Comparatifs incluant ce terme

Termes associés

Amplificateur opérationnel (ampli-op) Contre-réaction CMOS MOSFET de puissance Résistance à l'état passant (RDS(on)) IGBT SiC (carbure de silicium) Couche d'inversion Courant de court-circuit transitoire DIBL

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