Etude et Caractéristiques des Transistors à Effet de Champ : MOSFET

Description du transistor MOSFET

Dans un substrat faiblement dopé P, on insère deux zones N fortement dopées. Ces deux zones seront la source et le drain du MOSFET ; elles sont distantes d’une dizaine de µm (séparées par le substrat P). La source est généralement reliée au substrat.
La grille n’est pas directement reliée au substrat P ; elle en est isolée par l’intermédiaire d’une très fine (quelques nm) couche d’isolant (de l’oxyde de silicium). Cette caractéristique donne son nom au MOSFET : Metal Oxyde Semiconductor . L’établissement d’une tension VGS (tension grille-source) positive donne naissance à un canal entre le drain et la source favorisant le passage à un courant ID . La longueur du canal d’un MOS est la distance entre les deux zones de diffusion formant la source et le drain.
La source (source) S: Les porteurs entrent dans canal par cette électrode. C’est le point de départ des porteurs.
Le drain (Drain) D : Les porteurs quittent le canal à travers cette électrode, c’est le point de collecte de ces porteurs.
La grille (Gate) G et le substrat (Body) MOSFET. Cette capacité pilote la concentration des porteurs pr. La grille permet de faire la commande.

Structure et principe de base d’un transistor MOSFET

Le principe de base repose sur l’effet du champ électrique appliqué sur la structure métal-oxyde-semi-conducteur c’est-à-dire l’électrode de grille, l’isolant (dioxyde de silicium) et la couche semi-conductrice (appelée « substrat »); généralement en micro-électronique la couche métallique est remplacée par du silicium polycristallin.
Lorsque la différence de potentiel entre la grille et le substrat est nulle il ne se passe rien. Quand on augmente 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.

Structure et fonctionnement du MOSFET à canal diffusé

Avec un substrat (B) dopé P sont diffusées deux zones très dopées N+ formant le drain et la source reliées par un canal dopé N. Il existe également des MOS avec un canal P et qui fonctionnent avec des tensions et des courants opposés à ceux ayant un canal N.
Le symbole utilisé pour la représentation des MOS à canal diffusé, le canal est représenté par un trait continu. Une flèche figure la jonction substrat-canal, elle est orientée dans le sens passant de la diode. Les quatre électrodes peuvent être accessibles mais le substrat et la source peuvent être reliés en interne . Lorsque le potentiel VGS est nul et sous l’action de la tension drain-source, un courant drain ID circule dans le canal. En se rapprochant du drain, Sa section diminue. Quand VGS est négatif, on induit par effet capacitif des charges positives dans le canal et donc des recombinaisons : la concentration en électrons et la conduction du canal diminuent. Plus on se rapproche du drain, le potentiel du canal devient plus positif. Ce pendant le courant drain (ID) croit lorsque VGS est positif et que la zone appauvrie en porteur regresse dans le canal. La conductivité du canal dépend de la tension grille source(VGS).

Le MOSFET à canal induit

Pour ce type de transistor le canal n’est pas créé lors de la fabrication. Le courant drain ID est nul et la jonction drain-substrat est bloquée lorsque la tension de grille VGS est négative. Les seuls porteurs libres dans la zone P sont des électrons d’origine thermique. Quand VGS est assez positif, les charges négatives du matériau P se regroupent au voisinage de la grille en créant une couche conductrice entre le drain et la source. Cette couche se traduit par une zone N qui est induite dans la zone P par inversion de la population des porteurs. La tension de seuil minimale pour induire un canal est notée VTH (threshold = seuil) .
Lorsque VGS augmente au-delà du seuil, la section du canal croît en entrainant une augmentation de ID. Par construction le substrat est souvent relié à la source. Sur le symbole des MOS à canal induit, on représente ce canal par un trait discontinu. Une flèche indiquant le sens passant de la jonction substrat-canal. On peut avoir aussi des transistors complémentaires avec un canal induit de type P.
Dans un substrat faiblement dopé P, on insère deux zones N fortement dopées. Ces deux zones seront la source et le drain du MOSFET ; elles sont distantes d’une dizaine de µm (séparées par le substrat P).

Structure d’un MOSFET de puissance

Un MOSFET se présente la plus part du temps comme un composant doté de trois électrodes : La grille (gate) est une électrode qui contrôle le MOSFET. Cette électrode permet de régulariser la quantité de courant qui va passer entre les deux électrodes.
Le drain (drain) : le courant entre dans le composant par cette électrode. La source (source) : le courant sort du MOSFET par cette électrode. Sur ce principe, le MOSFET est comparable à une résistance variable dont la valeur serait déterminée par la tension sur la grille. Cette résistance entre le drain et la source diminue lorsque la tension entre la grille et la source augmente pour les MOSFET à enrichissement à canal N.
En régime continue, le courant consommé sur la grille est négligeable car la liaison drain-source est isolée de la grille par une couche de verre d’une épaisseur microscopique. Ainsi donc, ceci permet de piloter un MOSFET même avec des circuits électroniques capables de ne fournir qu’un courant de très faible intensité. Les MOSFET de puissance permettent de piloter plusieurs dizaines d’ampères. Le choix d’un MOSFET de puissance dépend essentiellement de l’intensité maximale en courant(ID) et de la tension de claquage(VDS). La résistance Rdsson de la liaison drain-source si le transistor est passant, conditionne directement la quantité d’énergie perdue par effet joule dans le MOSFET lorsqu’il conduit. La tension seuil fait partie des caractéristiques, elle nécessite 4v ou 5v parfois plus pour certains MOSFET pour devenir conducteur alors que pour d’autre on a un ou deux volts. Ces dernières valeurs les rendent compatibles avec les niveaux logiques des circuits numériques.

Table des matières

Introduction Générale
CHAPITRE I : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES TRANSISTORS MOSFET
Introduction
I. Le dopage des semi-conducteurs
II. Définition du transistor MOSFET
II.1. Historique
II.2. Description du transistor MOSFET
II.3. Structure et principe de base d’un transistor MOSFET
II.3.1. Accumulation dans le cas d’un transistor PMOS
II.3.2. Déplétion dans le cas d’un transistor PMOS
II.3.3. Inversion dans le cas d’un transistor PMOS
II.4. Principe de fonctionnement d’un MOSFET à canal N
II.5. MOSFET à canal diffusé ou déplétion
II.5.1. Structure et fonctionnement du MOSFET à canal diffusé
II.5.2. Caractéristique du canal diffusé
II.6. Le MOSFET à canal induit
II.7. Le MOSFET à canal initial
II.8. Les régimes de fonctionnement du MOSFET à canal N
• Le régime de coupure
• Le régime linéaire
II.8.1. Caractéristique de sortie du NMOS en régime linéaire
II.8.2. Caractéristique de sortie du régime linéaire ou régime triode
II.8.3. Le pincement du canal
• Le régime de saturation
II.8.4. Caractéristique de sortie du transistor NMOS en régime saturé
II.8.5. Caractéristique de transfert en régime saturé
II.8.6. Caractéristique de sortie des trois régimes de fonctionnement
Conclusion
CHAPITRE II : ETUDE DU TRANSISTOR MOSFET
Introduction
I.MOSFET à appauvrissement ou à déplétion (D-MOSFET)
I.1. Structure du MOS à appauvrissement à canal N
• Régime d’appauvrissement
• Régime d’enrichissement
I.2. Caractéristique du MOSFET à appauvrissement
II. MOSFET à enrichissement (E-MOSFET) (E = Enhancement en AGNLAIS)
II.1. Principe du MOSFET à enrichissement (E-MOSFET)
II.2. Caractéristique du MOSFET à enrichissement
Conclusion
CHAPITRE III : CARACTERISTIQUES DES TRANSISTORS MOSFETs DE PUISSANCE
Introduction
•Structure d’un MOSFET de puissance
I. Caractéristiques des composants du MOSFET de puissance
I.1. Caractéristiques de grille
I.2. Caractéristiques de drain
•Courant de drain Id et température
I.3. Capacité parasite sur les MOSFET
• Capacité d’entrée
• Capacité de sortie
I.4. La Résistance Rdson du transistor MOSFET
•Influences sur le Rdson des MOSFET de puissance
I.5. Diode intrinsèque parallèle
I.6. Tension de seuil et température
I.7. Charge de la grille
I.8. Avantages et inconvénients des MOSFETs
Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques & webographiques