MOSFET

MOSFET

Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde


Un transistor à effet de champ (à grille) métal-oxyde est un type de transistor à effet de champ ; on utilise souvent le terme MOSFET, acronyme anglais de metal oxide semiconductor field effect transistor. Comme tous les transistors ou même les tubes à vide, le MOSFET module le courant qui le traverse à l'aide d'un signal appliqué à son électrode d'entrée ou grille. Il trouve ses applications dans les circuits intégrés numériques, en particulier avec la technologie CMOS, ainsi que dans l'électronique de puissance.

IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg Type P
IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg Type N
MOSFET enh MOSFET dep
Légende:

D: drain - S: source - G:grille

Description

  • Les MOSFET se divisent en deux catégories, les MOSFET à déplétion (depletion mode), les MOSFET à inversion (enhancement mode) selon leur mode d'opération.
  • Chaque MOSFET est aussi caractérisé par la polarité de ses porteurs de charges qui détermine s'il est de type P ou N.
  • Les symboles schématiques présentés à droite symbolisent le MOSFET et, permettent de différencier son type et sa catégorie. Les symboles comportent généralement trois bornes qui sont le drain, la source et la grille.

Historique

Le MOSFET a été conçu de façon théorique en 1920 par Julius Edgar Lilienfeld qui le breveta comme étant un composant servant à contrôler le courant[1]. Par contre, la technologie nécessaire à sa construction ne fut pas disponible avant 1950. Effectivement, la complexité du MOSFET requiert des techniques plus précises que ce qui était disponible à l'époque. Ce ne fut qu'avec l'avènement des circuits intégrés que le MOSFET put devenir une réalité. Ainsi, Atalla et Khang des laboratoires Bell construisirent le premier MOSFET en 1959 qui fera son apparition dans les circuits intégrés en 1963. Peu après, l'élaboration de la technologie CMOS assura le futur commercial et technologique du MOSFET en électronique intégrée.

Principe de fonctionnement

Contrairement au transistor bipolaire, le transistor MOSFET fait appel à un seul type de porteur de charge (c'est donc un composant unipolaire). Le principe de base repose sur l'effet de champ appliqué à une superposition d'une couche de métal (appelée « grille »), d'une couche d'oxyde et d'une couche de semi-conducteur (appelée « substrat »); typiquement en micro-électronique la couche de métal est généralement remplacée par du silicium polycristalin. Lorsque la différence de potentiel entre la grille et le substrat est nulle il ne se passe rien. Au fur et à mesure de l'augmentation de cette différence de potentiel les charges libres dans le semi-conducteur sont repoussées de la jonction semi-conducteur/oxyde, créant tout d'abord une zone dite de « déplétion », puis lorsque la différence de potentiel est suffisamment grande il apparaît une zone « d'inversion ». Cette zone d'inversion est donc une zone où le type de porteurs de charges est opposé à celui du reste du substrat, créant ainsi un « canal » de conduction.

Effet de champ : accumulation, déplétion, inversion

Fonctionnement du MOSFET à canal N

Nous prendrons l’exemple d’un canal N, le plus fréquent ; le canal P a un fonctionnement identique en inversant les polarisations.

Le transistor est généralement constitué d'un substrat de type P, faiblement dopé, dans lequel on diffuse par épitaxie deux zones N+ qui deviendront la source et le drain. Le silicium au-dessus du canal est oxydé en SiO2 puis métallisé pour réaliser la grille, ce qui constitue une capacité entre la grille et le substrat.

Vue en coupe d'un transistor MOSFET à canal N

En général, on relie la source à la masse, ainsi que le substrat. On porte le drain à un potentiel supérieur de ceux de la source et du substrat, créant ainsi un champ électrostatique entre la source, le substrat et le drain.

Au repos, deux cas sont possibles :

  • Ou bien la capacité grille/substrat est flottante à vide : il n'y a quasiment pas de porteurs pour conduire un éventuel courant, les deux jonctions source-substrat et substrat-drain sont polarisées en inverse ; dans ce cas, on parle d'un MOSFET à enrichissement ;
  • Ou bien la capacité grille/substrat est en inversion, ce qui signifie que des électrons du substrat sont attirés au voisinage de l'oxyde. Ceux-ci constituent un afflux de porteurs minoritaires qui vont être disponible pour conduire le courant entre source et drain ; le transistor est normalement conducteur, on parle de MOSFET à déplétion (ou à appauvrissement).

Dans les deux cas, le courant source-drain est modulé par la tension de grille. Dans le type à enrichissement, il faut appliquer une tension positive à la grille pour amener la capacité grille-substrat en inversion : le transistor conduit à partir d'un certain seuil. Dans le type à déplétion, le transistor est conducteur lorsque la grille est à la masse, il faut donc l'amener à une tension négative pour faire cesser la conduction.

Lorsque le transistor conduit, une augmentation de la polarisation entre le drain et la source augmente le courant (non-linéairement). À partir d'une tension de drain supérieure à la tension de grille moins la tension de seuil, le champ électrostatique entre le substrat et la grille s'inverse localement au voisinage du drain. Le canal d'électrons y disparaît, le courant sature. Toute augmentation de la tension de drain au-delà de la tension de saturation conduit à une disparition encore plus précoce du canal d'électrons, et à une augmentation faible voire nulle du courant.

À tension source-drain constante, le courant de saturation varie comme le carré de la tension grille-substrat.

Modes de fonctionnements

Modes de fonctionnement d'un transistor MOSFET à canal N
Tension de seuil

La tension de seuil est définie comme étant la tension VGS entre la grille et la source pour laquelle la zone d'inversion apparait, c'est-à-dire la création du canal de conduction entre le drain et la source. Cette tension se note VTH, TH étant l'abréviation de threshold en anglais (seuil). Lorsque la tension grille-source VGS est inférieure à la tension de seuil VTH, on dit que le transistor est bloqué, il ne conduit pas. Dans le cas contraire, on dit qu'il est passant, il conduit le courant entre le drain et la source.

Zone linéaire

I_{DS} = {\beta}\left(V_{GS}-V_{TH}-\frac{1}{2}V_{DS}\right)V_{DS}

{\beta} = \frac{W}{L}{\mu}C_{ox}

W  : largeur du canal
L : longueur du canal
μ : mobilité des porteurs de charge (mobilité des électrons dans le cas d'un MOSFET à canal N)
Cox : capacité d'oxyde de grille

Point de pincement

I_{DS_{SAT}} = \frac{1}{2}{\beta}\left(V_{GS}-V_{TH}\right)^2

Zone saturée

I_{DS} = I_{DS_{SAT}}\frac{L}{L-{\lambda}}

\lambda = {\lambda}_0ln\left(1+\frac{V_{DS}-V_{DS_{SAT}}}{V_{DS_{SAT}}}\right)

{\lambda}_0 = \sqrt{\frac{{\epsilon}_{si}}{{\epsilon}_{ox}}x_jT_{ox}}

εsi : permittivité du silicium
εox : permittivité de l'oxyde de grille
xj : profondeur de jonction
Tox : épaisseur de l'oxyde de grille

Réseau de courbes caractéristique d'un MOSFET à canal N
Caractéristiques Courant-Tension d'un transistor MOSFET à canal N

Analogie

Une analogie très utile pour comprendre facilement le fonctionnement d'un FET, sans utiliser des concepts d'électrostatique, est de le comparer à un robinet d'eau. La grille est la commande analogue au pas de vis du robinet qui contrôle le débit d'eau (courant). Après un quart de tour, il se peut que seul un faible filet d'eau coule. Puis, le courant augmente rapidement avec une faible rotation. Enfin, malgré des tours dans le vide, le courant n'augmente plus, il sature. Enfin, si on veut augmenter le débit du robinet, il faut augmenter le diamètre du tuyau (différence de potentiel grille-substrat).

Voir aussi

Références

  • Portail de l’électricité et de l’électronique Portail de l’électricité et de l’électronique

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