Transistors unipolaires
(19 347)Les transistors unipolaires, comme les transistors bipolaires, sont des composants électroniques qui amplifient les signaux électriques. En utilisant un signal de commande de faible puissance, il est possible de commander une haute tension ou un courant élevé. Ils constituent alors une sorte d’interrupteur. Les transistors unipolaires sont utilisés dans les convertisseurs, les amplificateurs de puissance, les onduleurs et les appareils associés. Il convient de mentionner ici que, par exemple, les processeurs consistent en jusqu’à un milliard de très petits transistors unipolaires, fermés dans un boîtier.
Types de transistors unipolaires
Il existe plusieurs types de transistors unipolaires, notamment le J-FET (ang.Junction Field Effect Transistor), le MOSFET (ang. Metal Oxide Semiconductor FET) ou TFT (ang. Thin Film Transistor). Il existe plusieurs autres types de transistors unipolaires, mais en pratique les deux premiers types sont le plus souvent utilisés dans les circuits électroniques. D’autre part, les transistors TFT, en raison de leur domaine d’application étroit, sont principalement utilisés dans les écrans à cristaux liquides (LCD).
Construction et fonctionnement des transistors unipolaires
Les transistors unipolaires ont en standard trois fils appelés le drain, la source et la grille. Puisque les transistors unipolaires et bipolaires apparaissent le plus souvent dans les mêmes boîtiers et remplissent des fonctions quasi identiques, il est difficile de les distinguer les uns des autres au premier coup d’œil. Cependant, il faut se rappeler que les deux ont une structure différente.
Les transistors à effet de champ J-FET fonctionnent principalement grâce à des propriétés du phénomène de champ électrique. La construction de ce type de transistor est basée sur l’utilisation d’une couche d’un semi-conducteur de type N ou de type P, à laquelle sont connectés les conducteurs du drain et de la source, et un semi-conducteur de type de dopage faible et opposé, qui s’enroule généralement autour du soi-disant canal du transistor et auquel le fil de grille est connecté. Le dopage du semi-conducteur de canal décide s’il s’agit d’un transistor J-FET de type N (N-JFET) ou de type P (P-JFET), ce dernier étant beaucoup moins utilisé en pratique.
Par exemple, décrivons le fonctionnement d’un transistor J-FET unipolaire à canal N. Lorsqu’il y a une tension sur les broches de cet élément, marquées comme le drain et la source, le courant circulera entre la source et le drain. Dans le cas où la jonction de grille devient polarisée en inverse, c’est-à-dire que dans ce cas la tension appliquée à la grille est négative à la source, le courant qui traverse le canal du transistor commencera à diminuer puis à s’estomper. En effet, la zone appauvrie entre le drain et la source va commencer à augmenter. Si la différence de tension entre la grille et la source est suffisamment élevée, c’est-à-dire que pour un J-FET à canal N, la tension de grille est suffisamment basse, le courant cessera de circuler complètement à travers le canal. Normalement, cette tension est de quelques volts et dépend du type spécifique de transistor. Cet état du transistor unipolaire est appelé coupure, et la valeur de la résistance entre le drain et la source est très élevée, de l’ordre du gigaohms[GΩ]. Il est à noter que la commande du transistor unipolaire est uniquement basée sur la tension. Le courant circulant entre la grille et la source est pratiquement nul.
Transistors unipolaires MOSFET
Un autre type de transistors unipolaires couramment utilisés est le transistor MOSFET. Dans ce type d’élément électronique, la grille, en métal, est isolée galvaniquement des autres éléments du transistor par une fine zone de dioxyde de silicium. Le substrat est la partie principale et la plus grande du MOSFET, c’est-à-dire un semi-conducteur de type P ou de type N faiblement dopé auquel le conducteur de base et deux petites zones à dopage opposé et fort sont connectés. Les fils de source et de drain leur sont connectés. Ils déterminent si le transistor est un canal de type P ou N. S’il n’y a pas de différence de tension entre les broches individuelles du transistor unipolaire, les deux jonctions P-N entre la source et le drain forment deux diodes connectées en série. Dans ce cas, l’un d’eux est polarisé en inverse, il n’y a donc aucune possibilité que le courant traverse le transistor (tant que la tension appliquée ne dépasse pas la valeur maximale autorisée). Cependant, si la grille, qui est située entre la source et le drain, elle montre une valeur de tension suffisamment élevée avec la polarisation appropriée (par exemple dans le cas d’un transistor à canal de type N, il sera positif à la source) et la soi-disant tension de seuil, l’effet du champ électrique sur la couche d’un semi-conducteur faiblement dopé en dessous entraînera la formation de ce que l’on appelle couche d’inversion. Ainsi, le un canal est créé qui relie électriquement les conducteurs de la source et du drain. L’intensité du courant pouvant circuler dans ce cas à travers le transistor dépend de la valeur de la tension appliquée à la sortie de la grille et c’est une relation linéaire, mais seulement jusqu’à une certaine valeur du courant de drain. Bien entendu, il existe aussi une valeur de la tension appliquée à la sortie de la grille au dessus de laquelle le courant n’augmentera plus, c’est ce qu’on appelle la tension de saturation.
Le cas qui vient d’être décrit s’appliquait à un MOSFET à enrichissement. Un tel transistor est normalement fermé et uniquement lorsque la tension appropriée est appliquée à la grille, il s’ouvre, mais il y a aussi des transistors à appauvrissement qui sont beaucoup moins courants, et dans lesquels, si la grille a le même potentiel que le source, il est ouvert et peut conduire l’électricité.
La structure du transistor MOSFET permet au transistor de se comporter comme un condensateur et d’avoir une capacité assez importante. Pour ces raisons le fait de changer l’état d’un tel transistor à haute fréquence peut être difficile car il faut un certain temps pour charger et décharger la capacité au niveau de la grille, et donc changer l’état de conduction de cet élément électrique. Par conséquent, les systèmes de contrôle des transistors MOSFET doivent être caractérisés par une efficacité de courant élevée. Une autre propriété des transistors MOSFET est d’avoir une diode entre le drain et la source, parfois appelée diode parasite. Son existence résulte de la structure même du transistor, qui a déjà été évoquée. Il s’agit d’une information importante dans le cas d’une commande par un courant alternatif.
Les transistors unipolaires se présentent sous la forme d’éléments montés de manière en surface ou traversante. Pour cette raison, ils sont disponibles dans de nombreux boîtiers différents, dont les plus populaires sont DPAK, D2PAK, TO220, TO247 et SOT23. Ils ont généralement trois fils (sans compter les transistors multicanaux).
Paramètres et caractéristiques des transistors unipolaires
Parmi les paramètres importants lors du choix du bon transistor il y a entre autres la tension drain-source maximale (donnée en volts [V]), la tension grille-source maximale, qui dans ce cas devient la tension de commande, le courant de drain maximal (donné en ampères [A]), la puissance dissipée (donnée en watts [W]), et la résistance de conduction (donnée en ohms [Ω] ou en milliohms [mΩ]). Le dépassement de la tension ou du courant maximum peut entraîner un dysfonctionnement des composants ou des dommages irréversibles. De plus, la dissipation d’une trop grande puissance sur le transistor unipolaire peut provoquer la surchauffe et son endommagement. En pratique, des dissipateurs thermiques supplémentaires sont utilisés, qui sont en contact avec le composant et permettent ainsi une dissipation thermique plus efficace vers l’environnement. Parfois (par exemple dans les alimentations à découpage), une circulation d’air forcée est également utilisée, qui est fournie par des ventilateurs et améliore le refroidissement.
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