Qu'est-ce qu'un transistor MOSFET ?
MOSFET, abréviation de Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (transistor à effet de champ à oxyde métallique), est un composant électronique couramment utilisé dans les circuits électroniques comme commutateur ou amplificateur pour contrôler le flux de haute tension et de courant élevé. Il s'agit d'un type de transistor composé d'une grille métallique, d'une couche d'oxyde et d'un canal semi-conducteur.
Qui a inventé le transistor MOSFET ?
En 1959, D. Kahng et Martin Atalla, des laboratoires Bell Labs, ont révolutionné le monde de l'électronique en inventant le transistor MOSFET. Cette invention révolutionnaire a permis la miniaturisation des composants électroniques, ouvrant la voie aux circuits intégrés et aux ordinateurs modernes. Si l'invention elle-même était révolutionnaire, le processus qui a mené à sa création était tout aussi fascinant.
Kahng et Atalla ont commencé leurs recherches sur le MOSFET en étudiant d'abord les propriétés des structures métal-oxyde-semi-conducteur (MOS). À l'aide d'une technique appelée dépôt chimique en phase vapeur (CVD), ils ont réussi à déposer une fine couche de dioxyde de silicium sur un substrat de silicium. Cette couche de dioxyde de silicium agissait comme un isolant entre les deux couches conductrices de la structure MOS.
L'étape suivante du processus consistait à fabriquer le MOSFET. En introduisant un dopant dans la couche isolante, Kahng et Atalla ont pu créer un canal entre les deux couches conductrices. Ce canal a ensuite été connecté à une grille, ce qui a permis à l'électricité de circuler à travers le MOSFET lorsqu'il était déclenché. Il était ainsi possible de contrôler le flux de courant à travers le transistor à l'aide d'une tension d'entrée.
Enfin, Kahng et Atalla ont testé leur invention pour s'assurer qu'elle fonctionnait correctement. Ils ont constaté que le MOSFET était capable d'activer et de désactiver rapidement le courant, ce qui le rendait idéal pour une utilisation dans les ordinateurs et autres appareils électroniques. Grâce à leurs recherches et à leur travail acharné, le transistor MOSFET est devenu un élément incontournable de l'électronique moderne.
Structure MOSFET
Un transistor à effet de champ à oxyde métallique (MOSFET) se compose d'une grille métallique, d'une couche d'oxyde et d'un semi-conducteur, la couche d'oxyde étant généralement constituée de dioxyde de silicium. Le matériau de la grille est généralement remplacé par du silicium polycristallin au lieu du métal. La structure forme un condensateur, la couche d'oxyde servant de diélectrique et la capacité étant déterminée par l'épaisseur de la couche d'oxyde et la constante diélectrique du dioxyde de silicium. La grille en silicium polycristallin et le semi-conducteur en silicium forment les deux bornes du condensateur MOS. En plus de la structure du condensateur, une structure MOSFET complète comprend une source et un drain pour fournir respectivement des porteurs majoritaires et les accepter.
Symbole du circuit MOSFET
Le symbole de circuit pour le transistor MOSFET couramment utilisé dans les circuits électroniques se compose d'une ligne verticale représentant le canal, de deux lignes parallèles à côté du canal représentant la source et le drain, et d'une ligne perpendiculaire à gauche représentant la grille. La ligne du canal peut également être représentée par une ligne pointillée afin de différencier les MOSFET à enrichissement et à appauvrissement.
Les transistors MOSFET sont des dispositifs à quatre bornes, composés des bornes source, drain, grille et bulk ou corps. La direction de la flèche s'étendant du canal à la borne bulk indique si le MOSFET est un dispositif de type p ou de type n, la flèche pointant toujours du côté P vers le côté N. Si la flèche pointe du canal vers la grille, cela représente un MOSFET de type p ou PMOS, tandis que la direction opposée représente un MOSFET de type n ou NMOS. Dans les circuits intégrés, la borne bulk est généralement partagée, sa polarité n'est donc pas indiquée, tandis qu'un cercle est souvent ajouté à la borne grille du PMOS pour le distinguer du NMOS.
Comment fonctionne un transistor MOSFET ?
Le principe de fonctionnement de base d'un transistor à effet de champ à oxyde métallique (MOSFET) consiste à contrôler la formation et la conductivité d'un canal en appliquant une tension à l'électrode de grille, régulant ainsi le courant circulant entre les électrodes de drain et de source. Le MOSFET se compose de trois électrodes : la grille, la source et le drain. Une couche d'oxyde isolante se trouve entre les électrodes de grille et de source, et le canal est formé sous cette couche à la surface du semi-conducteur.
Lorsqu'une tension positive est appliquée à la grille, les trous présents à la surface du semi-conducteur sous la grille sont repoussés, créant ainsi une couche d'inversion chargée négativement. La couche d'inversion présente une concentration en électrons supérieure à la concentration en trous, formant ainsi une couche conductrice de type n appelée canal. Lorsqu'une tension est appliquée entre le drain et la source, le courant circule à travers le canal vers le drain. La conductivité et la densité de charge du canal peuvent être modulées par l'amplitude et la polarité de la tension de grille, ce qui permet au MOSFET de fonctionner comme un commutateur de courant contrôlable.
Types de MOSFET
Selon la polarité de leur canal, les transistors MOSFET peuvent être classés en deux catégories : les MOSFET à canal N et les MOSFET à canal P. De plus, selon l'amplitude de la tension de grille, ils peuvent être classés en deux types : à appauvrissement et à enrichissement.
MOSFET à enrichissement à canal N
Un MOSFET à enrichissement à canal N est couramment utilisé dans les circuits électroniques à des fins de commutation et d'amplification. Il est appelé MOSFET à enrichissement car il nécessite une tension positive au niveau de la grille pour activer le canal, et il est appelé canal N car il possède un type de porteur négatif.
MOSFET à canal N à appauvrissement
Un MOSFET à canal N à appauvrissement est constitué de couches de matériaux semi-conducteurs qui ont été dopés avec des impuretés spécifiques afin de créer un canal qui transporte le courant. Le canal est déjà formé lorsqu'aucune tension n'est appliquée à la borne de grille. Cela signifie que le MOSFET est en mode « appauvrissement » lorsqu'aucune alimentation n'est appliquée. Lorsqu'une tension est appliquée à la grille, elle réduit la zone d'appauvrissement, permettant ainsi au courant de circuler à travers le canal.
MOSFET à enrichissement à canal P
Un MOSFET à enrichissement à canal P est un type de MOSFET qui utilise un substrat à canal P pour permettre le flux d'électrons entre les bornes source et drain. Lorsqu'une tension est appliquée à la borne de grille d'un MOSFET à enrichissement à canal P, cela crée un champ électrique qui attire les trous chargés positivement (par opposition aux électrons chargés négativement dans un MOSFET à canal N) vers le canal, permettant ainsi au courant de circuler entre les bornes source et drain.
MOSFET à canal P à appauvrissement
Un MOSFET à canal P à appauvrissement fonctionne en contrôlant le flux de porteurs de charge négatifs (électrons) dans un canal semi-conducteur. Contrairement aux MOSFET à canal N, qui sont construits avec une grille chargée positivement qui attire les porteurs de charge négatifs, les MOSFET à canal P sont construits avec une grille chargée négativement qui repousse les porteurs de charge positifs (trous). Dans un MOSFET à appauvrissement, le canal semi-conducteur est dopé avec des impuretés qui créent une région d'appauvrissement, qui agit comme une barrière résistive au flux de courant. En appliquant une tension à la grille, la région d'appauvrissement peut être élargie ou rétrécie, contrôlant ainsi le flux de courant à travers le canal.
Où utilise-t-on les MOSFET ?
Les dispositifs à semi-conducteurs appelés transistors MOSFET sont largement utilisés dans les systèmes automobiles, industriels et de communication. Dans le domaine de l'électronique automobile, les transistors MOSFET de puissance servent de dispositifs de commutation courants dans les unités de commande électroniques et les convertisseurs de puissance des véhicules électriques modernes. En outre, les transistors MOSFET peuvent également être utilisés comme commutateurs ou amplificateurs dans diverses applications, telles que les alimentations électriques, les commandes de moteurs, les régulateurs de tension, les microcontrôleurs, les circuits logiques numériques et les amplificateurs audio.
Plus précisément, les transistors MOSFET peuvent être utilisés dans les alimentations électriques des ordinateurs et des téléviseurs pour convertir le courant alternatif haute tension en courant continu basse tension ; dans les circuits de commande des moteurs pour réguler la vitesse des moteurs ; dans les amplificateurs audio pour amplifier les signaux de faible niveau en signaux de haut niveau ; et dans les onduleurs solaires, ils sont souvent utilisés pour convertir le courant continu généré par les panneaux solaires en courant alternatif à usage résidentiel et commercial.
Ces dernières années, avec l'amélioration des performances des transistors MOSFET, de plus en plus de circuits intégrés de traitement de signaux analogiques adoptent également les transistors MOSFET, en plus du domaine du traitement des signaux numériques (tels que les microprocesseurs et les microcontrôleurs). Dans les circuits numériques, les transistors MOSFET sont principalement utilisés dans l'invention de circuits logiques à semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire, qui n'ont pratiquement aucune perte de puissance statique et peuvent économiser le courant et la consommation d'énergie. Dans les circuits logiques CMOS, chaque pilote de porte logique et chaque étage de portes logiques n'ont besoin que d'être confrontés à la même grille de transistor MOSFET, ce qui les rend plus faciles à piloter. Dans les circuits analogiques, certains paramètres de performance des transistors MOSFET dans la conception des circuits ont été considérablement améliorés, tels que la transconductance, la force motrice du courant et le bruit. Par conséquent, les transistors MOSFET sont désormais largement utilisés dans les circuits analogiques, tels que les amplificateurs, les filtres, les oscillateurs, les amplificateurs de puissance et les alimentations à découpage.
MOSFET vs BJT
Il existe de nombreuses différences entre le transistor MOSFET et le transistor BJT. Voici un tableau comparatif entre les deux.
| No. | Characteristics | BJT | MOSFET |
|---|---|---|---|
| 1 | Transistor Type | Bipolar Junction Transistor | Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor |
| 2 | Classification | NPN BJT and PNP BJT | P-channel MOSFET and N-channel MOSFET |
| 3 | Port | Base, Emitter, Collector | Gate, Source, Drain |
| 4 | Symbol |  |  |
| 5 | Charge Carrier | Both electrons and holes serve as charge carriers in BJT | Either electrons or holes serve as charge carriers in MOSFET |
| 6 | Control Mode | current-controlled | oltage-controlled |
| 7 | Input Current | milliamps/microamps | picoamps |
| 8 | Switching Speed | BJT is lower: maximum switching speed is close to 100KHz | MOSFET is higher: maximum switching frequency is 300KHz |
| 9 | Input Impedance | low | high |
| 10 | Output Impedance | low | medium |
| 11 | Temperature Coefficient | BJT has a negative temperature coefficient and cannot be connected in parallel | MOSFET has a positive temperature coefficient and can be connected in parallel |
| 12 | Power Consumption | high | low |
| 13 | Frequency Response | poor | good |
| 14 | Current Gain | BJT has low and unstable current gain: the gain can decrease once the collector current increases. If the temperature increases, the gain can also increase | MOSFET has high current gain and is almost stable for changing drain current |
| 15 | Secondary breakdown | BJT has a second breakdown limit | MOSFET has a safe operating area similar to BJT but does not have a second breakdown limit |
| 16 | Static Electricity | Static discharge is not a problem in BJT | Static discharge can be a problem in MOSFET and can lead to other issues |
| 17 | Cost | cheaper | more expensive |
| 18 | Application | low-current applications such as amplifiers, oscillators, and constant current circuits | high-current applications such as power supplies and low-voltage high-frequency applications |
