Le MOSFET

En plus du transistor à effet de champ à jonction (JFET), il existe un autre type de transistor à effet de champ dont l’entrée de grille est électriquement isolée du canal principal porteur de courant. Le MOSFET est un type de dispositif à semi-conducteur appelé transistor à effet de champ à grille isolée.

Le type le plus courant de FET à grille isolée utilisé dans de nombreux types de circuits électroniques s’appelle le transistor à effet de champ à oxyde métallique ou MOSFET.

Le IGFET ou MOSFET est un transistor à effet de champ contrôlé par tension qui se distingue d’un JFET par le fait qu’il possède une électrode de grille en “oxyde métallique”, qui est électriquement isolée du canal n ou p principal par une très fine couche de matériau isolant généralement en dioxyde de silicium, communément connu sous le nom de verre.

Cette électrode de grille métallique isolée ultra-fine peut être considérée comme une plaque d’un condensateur. L’isolation de la grille de contrôle rend la résistance d’entrée du MOSFET extrêmement élevée, atteignant les méga-ohms ( MΩ ), la rendant donc presque infinie.

Comme la borne de grille est électriquement isolée du canal porteur de courant principal entre le drain et la source, “Aucun courant ne circule dans la grille” et, tout comme le JFET, le MOSFET agit également comme un résistor contrôlé par tension, où le courant circulant à travers le canal principal entre le Drain et la Source est proportionnel à la tension d’entrée.

Tout comme le JFET, la très haute résistance d’entrée des MOSFET peut facilement accumuler de grandes quantités de charge statique, ce qui entraîne une détérioration facile du MOSFET à moins d’être soigneusement manipulé ou protégé.

Comme dans le tutoriel précédent sur les JFET, les MOSFET sont des dispositifs à trois bornes avec une Grille, un Drain et une Source, et les MOSFET à canal P (PMOS) et à canal N (NMOS) sont disponibles. La principale différence cette fois est que les MOSFET existent en deux formes de base :

• Type Depletion   –   le transistor nécessite la tension Gate-Source, ( V_GS ) pour éteindre le dispositif. Le MOSFET en mode déplétion est équivalent à un interrupteur “normalement fermé”.
• Type Enhancement   –   le transistor nécessite une tension Gate-Source, ( V_GS ) pour allumer le dispositif. Le MOSFET en mode d’amélioration est équivalent à un interrupteur “normalement ouvert”.

Les symboles et la construction de base pour les deux configurations de MOSFET sont montrés ci-dessous.

Les quatre symboles MOSFET ci-dessus montrent un terminal supplémentaire appelé Substrat qui n’est normalement pas utilisé comme une connexion d’entrée ou de sortie, mais qui est utilisé pour la mise à la terre du substrat. Il se connecte au canal semi-conducteur principal via une jonction diode vers le corps ou la fixation métallique du MOSFET.

Habituellement, dans les MOSFET de type discret, cette broche de substrat est connectée en interne à la borne source. Lorsque c’est le cas, comme dans les types d’amélioration, elle est omise du symbole pour plus de clarté.

La ligne dans le symbole MOSFET entre les connexions drain (D) et source (S) représente le canal semi-conducteur du transistor. Si cette ligne de canal est une ligne continue et ininterrompue, elle représente un MOSFET de type “déplétion” (normalement ON) car le courant de drain peut circuler sans potentiel de polarisation de la grille.

Si la ligne de canal est représentée par une ligne pointillée ou brisée, elle représente un MOSFET de type “amélioration” (normalement OFF), car aucun courant de drain ne circule avec un potentiel de grille nul. La direction de la flèche pointant vers cette ligne de canal indique si le canal conducteur est un dispositif semi-conducteur de type P ou N.

Structure et symbole de base du MOSFET

La construction du transistor à effet de champ à oxyde métallique est très différente de celle du JFET. Les MOSFET de type déplétion et d’amélioration utilisent un champ électrique produit par une tension de grille pour modifier l’écoulement des porte-charges, électrons pour un canal n ou trous pour un canal P, à travers le canal drain-source semi-conducteur. L’électrode de grille est placée au-dessus d’une couche isolante très fine et il y a une paire de petites régions de type n juste en dessous des électrodes de drain et de source.

Nous avons vu dans le tutoriel précédent que la grille d’un transistor à effet de champ à jonction, JFET, doit être polarisée de telle manière qu’elle inverse la polarité de la jonction pn. Avec un dispositif MOSFET à grille isolée, aucune de ces limitations ne s’applique, ce qui permet de polariser la grille d’un MOSFET dans n’importe quelle polarité, positive (+ve) ou négative (-ve).

Cela rend le dispositif MOSFET particulièrement précieux en tant qu’interrupteur électronique ou pour créer des portes logiques, car sans polarisation, ils ne conduisent généralement pas, et cette haute résistance d’entrée de la grille signifie qu’aucun courant de contrôle ou très peu est nécessaire, car les MOSFETs sont des dispositifs contrôlés par tension. Les MOSFET à canal P et à canal N sont tous deux disponibles sous deux formes de base, le type d’amélioration et le type de déplétion.

MOSFET en mode de déplétion

Le MOSFET en mode de déplétion, qui est moins courant que les types en mode d’amélioration, est normalement commuté “ON” (conducteur) sans application d’une tension de polarisation de grille. C’est-à-dire que le canal conduit lorsque V_GS = 0, ce qui en fait un dispositif “normalement fermé”. Le symbole du circuit montré ci-dessus pour un transistor MOS en mode déplétion utilise une ligne de canal solide pour signifier un canal conducteur normalement fermé.

Pour le transistor MOS en mode déplétion à canal n, une tension de porte-source négative, -V_GS, va dépléter (d’où son nom) le canal conducteur de ses électrons libres, éteignant ainsi le transistor. De même, pour un transistor MOS en mode déplétion à canal P, une tension de porte-source positive, +V_GS, va dépléter le canal de ses trous libres, le mettant “OFF”.

En d’autres termes, pour un MOSFET en mode de déplétion à canal n : +V_GS signifie plus d’électrons et plus de courant. Tandis qu’un -V_GS signifie moins d’électrons et moins de courant. L’inverse est également vrai pour les types à canal P. Ainsi, le MOSFET en mode de déplétion est équivalent à un interrupteur “normalement fermé”.

Symboles de circuit à mode de déplétion N-Channel

Le MOSFET en mode de déplétion est construit de manière similaire à ses homologues transistors JFET où le canal drain-source est intrinsèquement conducteur avec les électrons et les trous déjà présents dans le canal de type n ou p. Ce dopage du canal produit un chemin conducteur de faible résistance entre le Drain et la Source avec une polarisation Gate nulle.

MOSFET en mode d’amélioration

Le plus courant MOSFET en mode d’amélioration ou eMOSFET est l’inverse du type en mode de déplétion. Ici, le canal conducteur est légèrement dopé ou même non dopé, le rendant non conducteur. Cela fait que le dispositif est normalement “OFF” (non conducteur) lorsque la tension de polarisation de la grille, V_GS, est égale à zéro. Le symbole du circuit montré ci-dessus pour un transistor MOS en mode d’amélioration utilise une ligne de canal brisée pour signifier un canal non conducteur normalement ouvert.

Pour le transistor MOS en mode d’amélioration à canal n, un courant de drain ne circulera que lorsque une tension à la grille ( V_GS ) est appliquée au terminal de grille supérieure au niveau de la tension seuil ( V_TH ) à laquelle la conductance a lieu, le rendant un dispositif de transconductance.

L’application d’une tension de grille positive (+ve) à un eMOSFET de type n attire plus d’électrons vers la couche d’oxyde autour de la grille, augmentant ainsi (d’où son nom) l’épaisseur du canal permettant à davantage de courant de circuler. C’est pourquoi ce type de transistor est appelé un dispositif en mode d’amélioration, car l’application d’une tension de grille améliore le canal.

Augmenter cette tension de grille positive fera diminuer encore la résistance du canal, provoquant une augmentation du courant de drain, I_D, à travers le canal. En d’autres termes, pour un MOSFET en mode d’amélioration à canal n : +V_GS allume le transistor, tandis qu’un zéro ou -V_GS éteint le transistor. Ainsi, le MOSFET en mode d’amélioration est équivalent à un interrupteur “normalement ouvert”.

L’inverse est vrai pour le transistor PMOS en mode d’amélioration. Lorsque V_GS = 0, le dispositif est “OFF” et le canal est ouvert. L’application d’une tension négative (-ve) à la grille de l’eMOSFET de type p améliore la conductivité des canaux, le mettant “ON”. Donc pour un MOSFET en mode d’amélioration à canal P : +V_GS éteint le transistor, tandis que -V_GS allume le transistor.

Symboles de circuit à mode d’amélioration N-Channel

Les MOSFET en mode d’amélioration font d’excellents interrupteurs électroniques grâce à leur faible résistance “ON” et leur très haute résistance “OFF”, ainsi que leur résistance d’entrée infiniment élevée en raison de leur grille isolée.

Le MOSFET en mode d’amélioration est utilisé dans des circuits intégrés pour produire des portes logiques de type CMOS et des circuits de commutation de puissance sous forme de portes PMOS (canal P) et NMOS (canal N). CMOS signifie en réalité MOS complémentaire, ce qui signifie que le dispositif logique contient à la fois PMOS et NMOS dans sa conception.

L’amplificateur MOSFET

Tout comme le transistor à effet de champ à jonction précédent, les MOSFET peuvent être utilisés pour créer des circuits amplificateurs de classe “A” à étage unique, l’amplificateur MOS à source commune en mode d’amélioration étant le circuit le plus populaire. Les amplificateurs MOSFET en mode de déplétion sont très similaires aux amplificateurs JFET, sauf que le MOSFET a une impédance d’entrée beaucoup plus élevée.

Cette haute impédance d’entrée est contrôlée par le réseau de polarisation de la grille formé par R1 et R2. De plus, le signal de sortie pour l’amplificateur MOSFET à source commune en mode d’amélioration est inversé, car lorsque V_G est faible, le transistor est commuté “OFF” et V_D (Vout) est élevé. Quand V_G est élevé, le transistor est commuté “ON” et V_D (Vout) est faible comme indiqué.

Amplificateur N-Channel en mode d’amélioration

Le biais DC de ce circuit amplificateur de source commune (CS) MOSFET est pratiquement identique à celui de l’amplificateur JFET. Le circuit MOSFET est polarisé en mode de classe A par le réseau en diviseur de tension formé par les résistances R1 et R2. L’impédance d’entrée AC est donnée par R_IN = R_G = 1MΩ.

Les transistors à effet de champ à oxyde métallique sont des dispositifs actifs à trois bornes fabriqués à partir de différents matériaux semi-conducteurs qui peuvent agir soit comme un isolant, soit comme un conducteur grâce à l’application d’une faible tension de signal.

La capacité du MOSFET à passer d’un état à l’autre lui permet d’avoir deux fonctions de base : “commutation” (électronique numérique) ou “amplification” (électronique analogique). Les MOSFET peuvent donc fonctionner dans trois régions différentes :

• 1. Région de coupure   –   avec V_GS < V_threshold la tension de grille-source est bien inférieure à la tension seuil du transistor, donc le transistor MOSFET est complètement “OFF”, ainsi I_D = 0, le transistor agissant comme un interrupteur ouvert indépendamment de la valeur de V_DS.
• 2. Région linéaire (ohmique)   –   avec V_GS > V_threshold et V_DS < V_GS, le transistor est dans sa région de résistance constante se comportant comme une résistance contrôlée par la tension, dont la valeur résistive est déterminée par le niveau de tension de grille, V_GS.
• 3. Région de saturation   –   avec V_GS > V_threshold et V_DS > V_GS, le transistor est dans sa région de courant constant et est donc “complètement ON”. Le courant de drain I_D = maximum avec le transistor agissant comme un interrupteur fermé.

Résumé du tutoriel sur le MOSFET

Le transistor à effet de champ à oxyde métallique, ou MOSFET pour faire court, a une résistance d’entrée de grille extrêmement élevée avec le courant circulant à travers le canal entre la source et le drain contrôlé par la tension de la grille. En raison de cette haute impédance d’entrée et de son gain, les MOSFET peuvent être facilement endommagés par l’électricité statique s’ils ne sont pas soigneusement protégés ou manipulés.

Les MOSFET sont idéaux pour être utilisés comme commutateurs électroniques ou comme amplificateurs à source commune car leur consommation d’énergie est très faible. Les applications typiques des transistors à effet de champ à oxyde métallique se retrouvent dans des microprocesseurs, des mémoires, des calculatrices et des portes logiques CMOS, etc.

Notez également qu’une ligne pointillée ou brisée à l’intérieur du symbole indique un type d’amélioration “normalement OFF” montrant qu’”AUCUN” courant ne peut circuler à travers le canal lorsque zéro tension de grille-source V_GS est appliquée.

Une ligne continue et ininterrompue à l’intérieur du symbole indique un type de déplétion “normalement ON” montrant que le courant “PEUT” circuler à travers le canal avec une tension de grille nulle. Pour les types à canal P, les symboles sont exactement les mêmes pour les deux types, sauf que la flèche pointe vers l’extérieur. Cela peut être résumé dans le tableau de commutation suivant.

Pour les MOSFET de type d’amélioration à canal n, une tension de grille positive allume le transistor, et avec une tension de grille nulle, le transistor sera “OFF”. Pour un MOSFET de type d’amélioration à canal P, une tension de grille négative allumera le transistor, et avec une tension de grille nulle, le transistor sera “OFF”. Le point de tension à partir duquel le MOSFET commence à faire passer le courant à travers le canal est déterminé par la tension seuil V_TH du dispositif.

Nous avons donc vu de manière concrète qu’un MOSFET (Transistor à effet de champ à oxyde métallique) est un type de transistor utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électroniques dans divers dispositifs. L’élément clé d’un MOSFET est la fine couche isolante de dioxyde de silicium (SiO₂) entre la grille et le corps semi-conducteur (généralement le silicium), qui confère au MOSFET sa haute impédance d’entrée.

Lorsqu’une tension est appliquée à la grille, elle crée un champ électrique qui modifie la conductivité du canal entre la source et le drain. Les deux principaux types de MOSFET sont le MOSFET à canal n et le MOSFET à canal p.

Dans le prochain tutoriel sur les transistors à effet de champ, au lieu d’utiliser le transistor comme un dispositif amplificateur, nous examinerons le fonctionnement du transistor dans ses régions de saturation et de coupure lorsqu’il est utilisé comme un interrupteur à état solide. Les interrupteurs de transistors à effet de champ sont utilisés dans de nombreuses applications pour commuter un courant continu “ON” ou “OFF”, comme les LED qui nécessitent seulement quelques milliamps à faibles tensions continues, ou des moteurs qui nécessitent des courants plus élevés à des tensions plus élevées.