Qu’est-ce qu’un MOSFET ?
Un MOSFET est l’un des dispositifs semi-conducteurs et un type de transistor indispensables aux équipements électroniques.
MOS signifie “Metal Oxide Semiconductor”, c’est-à-dire “film d’oxyde métallique”, tandis que FET signifie “Field-Effect Transistor”, c’est-à-dire “transistor à effet de champ”.
Les MOSFET effectuent essentiellement des opérations de commutation tout ou rien et d’amplification de signaux. Ils présentent l’avantage d’être très rapides et de se prêter à un contrôle précis.
Auparavant, les dispositifs semi-conducteurs étaient dominés par les transistors à haute polarité. Cependant, avec le besoin croissant de dispositifs plus petits, plus légers et plus efficaces, les transistors MOSFET sont en train de devenir le dispositif semi-conducteur le plus courant ces dernières années.
Utilisations des MOSFET
Les MOSFET sont utilisés comme transistors pour la construction de circuits électroniques pour divers CI et LSI.
Les utilisations discrètes comprennent l’électronique de puissance, les capteurs et d’autres industries, ainsi que les systèmes d’alimentation et les onduleurs. Divers LSI sont utilisés dans une large gamme d’applications, notamment les microcontrôleurs pour les automobiles et les appareils informatiques, les terminaux mobiles tels que les smartphones et les tablettes, la mémoire des PC et les unités centrales pour divers ordinateurs.
Les MOSFET sont indispensables dans les produits récents parce qu’ils peuvent être rendus plus petits, plus légers et être intégrés plus facilement.
Principe des MOSFET
Les MOSFET ont trois bornes (électrodes), appelées respectivement “drain”, “grille” et “source”. Le MOSFET a la propriété de faire circuler le courant lorsqu’une tension lui est appliquée. Il peut être activé et désactivé ou amplifié comme un transistor en appliquant une tension à l’électrode de grille.
Il existe deux types de MOSFET : le type à canal N (N-Ch) et le type à canal P (P-Ch).
- Type à canal N (N-Ch)
Le courant circule en appliquant à la grille une tension plus positive que le potentiel de la source.
- Type canal P (P-Ch)
Le type à canal N (N-Ch) est souvent utilisé parce qu’il est plus pratique en termes de performances et de circuits.
Les transistors CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), qui sont largement et universellement utilisés dans les circuits numériques, les circuits intégrés de mémoire et les capteurs, ont une structure MOS de type p et une structure MOS de type n. Les transistors MOSFET ont une haute résistance à l’oxydation et une haute résistance à la corrosion. Ils disposent également d’une vitesse de fonctionnement élevée, permettant une commutation à grande vitesse.
Ils conviennent également au fonctionnement à haute fréquence en raison de leur faible puissance d’entraînement. Bien qu’ils soient vulnérables aux courants élevés, leur facilité d’intégration et de manipulation en a fait un dispositif de base au cours des dernières années.
Types de MOSFET
Les MOSFET sont de type p et de type n. Ils sont en outre classés en “type d’amélioration” et “type d’appauvrissement” en fonction des différences de caractéristiques de fonctionnement.
1. Type d’amélioration
Il s’agit d’un type à extinction normale, c’est-à-dire qu’aucun courant ne circule entre la source et le drain lorsqu’aucune tension n’est appliquée à la grille.
2. Type à appauvrissement
Il s’agit d’un type normal-on, c’est-à-dire que le courant circule entre la source et le drain même lorsqu’aucune tension n’est appliquée à la grille.
Il existe deux types de MOSFET, mais le type à amélioration est le plus couramment utilisé pour les applications de commutation. Les premiers développés étaient des MOSFET à déplétion, qui sont aujourd’hui utilisés dans des situations très limitées.
Supposons, par exemple, qu’une alimentation négative doive être présente dans un circuit. Lorsque -5 V est généré, la grille du type à déplétion est connectée ici avec une résistance d’environ 10 kΩ.
Normalement, si la tension négative -5 V est correctement émise, aucun courant ne circule entre la source et le drain du type à déplétion. Toutefois, si l’alimentation négative n’est pas émise correctement en raison d’une anomalie, un courant circule entre la source et le drain, ce qui permet d’émettre une alerte.
Comment choisir un MOSFET
Le facteur le plus important dans la sélection d’un MOSFET est la valeur maximale absolue de la tension de tenue source-drain VDSS. En effet, plus la tension de tenue d’un MOSFET est élevée, plus sa résistance à l’enclenchement tend à l’être. Si la tension de tenue optimale n’est pas choisie avec une marge en tenant compte de l’utilisation du système, la résistance à l’enclenchement sera inutilement élevée. Ainsi, cela entraînera une augmentation de la consommation d’énergie de celui-ci.
Si la tension appliquée entre la source et le drain est presque constante, la sélection peut être faite sans problème. Cependant, le problème reste de savoir comment prendre en compte les surtensions. Si l’on les tient compte, il faut s’attendre à une marge de plusieurs fois la valeur nominale en régime permanent.
Même les MOSFET ayant la même tension de tenue ont des capacités de tenue différentes pour les courants d’avalanche et l’énergie d’avalanche. Lorsque l’on considère des MOSFET chargés de surtensions, la sélection du MOSFET ayant une capacité de résistance aux avalanches élevée se traduira par l’un ayant une tension de claquage et une résistance à l’enclenchement plus faibles.
Autres informations sur les MOSFET
1. Compatibilité avec les IGBT
Les Si-MOSFET ne conviennent pas pour les courants élevés, et pour les applications de dispositifs de puissance telles que le fonctionnement à polarisation élevée au-dessus de 2 V et les circuits inverseurs pour les courants élevés. Les IGBT, qui intègrent un MOSFET sur la grille et un transistor bipolaire sur la sortie, sont plus appropriés.
Les IGBT sont des dispositifs complexes qui nécessitent généralement un circuit d’attaque de grille pour fonctionner. Ils sont plus difficiles à manipuler que les MOSFET, car ils nécessitent un SOA (Safety Operation Area) et des circuits de protection pour leurs transistors, qui sont susceptibles de se briser si leurs valeurs nominales maximales absolues sont dépassées.
Récemment, les SiC-MOSFET, qui utilisent des semi-conducteurs composés SiC au lieu de Si comme substrat du MOSFET et dont les propriétés matérielles présentent une bande interdite plus importante, sont devenus populaires. Ces dispositifs présentent des avantages et des inconvénients, notamment en termes de coût, de sorte que pour l’instant, ils seront différenciés en fonction de leur application sur le marché.
2. Informations sur le SOI-CMOS
Les MOSFET ont été améliorés en termes de résistance à l’enclenchement et d’autres caractéristiques grâce à la miniaturisation du processus, et les hautes fréquences ont également été prises en charge. Traditionnellement, les structures CMOS avec des couches de puits ont été formées sur des substrats de Si de type p (ou de type n) appelés substrats de masse.
Cependant, le besoin de dispositifs à haute fréquence, en particulier pour les applications mobiles RF, a conduit à l’introduction de dispositifs CMOS avec des caractéristiques à haute fréquence améliorées. Pour ce faire, l’introduction d’une couche BOX de couches isolantes appelée “SOI” (Silicon On Insulator), au lieu d’un substrat de Si massif, a permis d’augmenter l’isolation du substrat et de supprimer le chemin de fuite propre aux MOSFET. Des dispositifs CMOS présentant des caractéristiques améliorées à haute fréquence sont désormais disponibles.
Ils sont appelés “SOI-CMOS” et attirent l’attention en tant que dispositifs fonctionnant à grande vitesse et à faible perte.
3. Miniaturisation du processus des MOSFET
La caractéristique la plus importante des MOSFET est qu’il s’agit de dispositifs semi-conducteurs à faible consommation d’énergie et adaptés à une intégration à grande échelle. Toutefois, en affinant les dimensions du processus, il est non seulement possible de faire fonctionner les transistors à des vitesses plus élevées et à des tensions plus faibles, mais aussi d’augmenter considérablement le degré d’intégration des circuits.
Les processeurs numériques à grande échelle utilisant les CMOS susmentionnés, pour lesquels le degré d’intégration est particulièrement critique.