MOSFET: grille, drain, source, canal N/P, commutation

MOSFET: grille, drain, source, canal N/P, commutation

Ce cours approfondi traite des MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), des composants essentiels de l’électronique moderne. Nous explorerons les concepts de grille, drain, source, les types de canal N/P et l’utilisation des MOSFET dans la commutation. La compréhension des MOSFET est cruciale pour concevoir des circuits numériques, analogiques et de puissance. MathJax sera utilisé pour les équations.

Structure et Terminaux du MOSFET (Grille, Drain, Source)

Un MOSFET est un transistor à effet de champ qui contrôle le courant entre le drain et la source en appliquant une tension à la grille. La grille est isolée du canal par une couche d’oxyde, d’où le nom Metal-Oxide-Semiconductor.

  • Grille (G): La borne de contrôle qui module la conductivité du canal.
  • Drain (D): La borne par laquelle le courant entre ou sort du canal, en fonction du type de canal et de la polarisation.
  • Source (S): La borne qui fournit les porteurs de charge pour le canal.
Le fonctionnement du MOSFET repose sur la création d’un champ électrique par la tension de grille, qui induit un canal conducteur entre le drain et la source.

Exemple 1: Identification des bornes d’un MOSFET

Comment identifier les bornes de grille, drain et source d’un MOSFET en utilisant un multimètre?

Solution: Utiliser la fonction test de diode du multimètre. Chercher la borne isolée des deux autres (résistance infinie) qui sera la grille. Les deux bornes restantes seront le drain et la source, et leur identification peut nécessiter de consulter la fiche technique du composant, ou d’appliquer une tension de grille pour observer si le courant passe.

Exemple 2: Fonctionnement de base d’un MOSFET

Expliquez comment une tension appliquée à la grille d’un MOSFET modifie la conductivité du canal entre le drain et la source.

Solution: En appliquant une tension à la grille, un champ électrique est créé à travers la couche d’oxyde. Ce champ attire ou repousse les porteurs de charge (électrons ou trous) dans la région du canal, modifiant ainsi sa conductivité. Une tension positive attire les électrons (pour un NMOS) ou repousse les trous (pour un PMOS), facilitant la conduction entre le drain et la source.

Canal N et Canal P (NMOS et PMOS)

Les MOSFET sont classés en deux types principaux en fonction du type de canal qu’ils utilisent :

  • NMOS (N-channel MOSFET): Le canal est formé par des électrons (porteurs majoritaires). Il est activé (conduit) lorsque la tension grille-source (VGS) est supérieure à la tension de seuil (Vth).
  • PMOS (P-channel MOSFET): Le canal est formé par des trous (porteurs majoritaires). Il est activé (conduit) lorsque la tension grille-source (VGS) est inférieure à la tension de seuil (Vth), qui est négative.
Les MOSFET peuvent être soit à enrichissement (enhancement-mode), où un canal doit être créé par l’application d’une tension de grille, soit à appauvrissement (depletion-mode), où un canal existe déjà et peut être réduit ou supprimé par l’application d’une tension de grille.

Exemple 3: Différences entre NMOS et PMOS

Comparez le fonctionnement d’un MOSFET à canal N (NMOS) et à canal P (PMOS) en termes de tension de grille requise pour activer la conduction.

Solution: Un NMOS nécessite une tension de grille positive par rapport à la source (VGS > Vth) pour conduire, tandis qu’un PMOS nécessite une tension de grille négative par rapport à la source (VGS < Vth, où Vth est négatif) pour conduire. Les NMOS sont généralement utilisés pour commuter le côté bas d'un circuit (côté masse) et les PMOS pour commuter le côté haut (côté alimentation).

Exemple 4: Sélection du type de MOSFET approprié

Dans une application de commutation où vous devez commuter l’alimentation positive (5V), quel type de MOSFET (NMOS ou PMOS) serait le plus approprié et pourquoi?

Solution: Un PMOS serait le plus approprié. Pour commuter l’alimentation positive, la source du PMOS serait connectée à l’alimentation (5V). Pour activer le MOSFET, la tension de grille doit être inférieure à la tension de la source (VGS < Vth, où Vth est négatif). En appliquant 0V à la grille, le PMOS s’activerait, permettant au courant de circuler. Un NMOS ne pourrait pas être utilisé de cette manière, car il nécessiterait une tension de grille supérieure à 5V pour s’activer.

Modes de Fonctionnement du MOSFET

Les MOSFET peuvent fonctionner dans trois modes principaux :

  • Région de coupure (Cut-off): Le MOSFET est désactivé, et aucun courant ne circule entre le drain et la source (sauf un très faible courant de fuite). \( V_{GS} < V_{th} \)
  • Région linéaire (Triode ou Ohmique): Le MOSFET est activé et se comporte comme une résistance contrôlée par la tension de grille. \( V_{GS} > V_{th} \) et \( V_{DS} < V_{GS} - V_{th} \)
  • Région de saturation (Active): Le MOSFET est activé, et le courant de drain est relativement indépendant de la tension drain-source. \( V_{GS} > V_{th} \) et \( V_{DS} > V_{GS} – V_{th} \)
La région de coupure est utilisée pour éteindre le MOSFET, la région linéaire est utilisée pour les applications d’amplification de faible signal, et la région de saturation est utilisée pour les applications d’amplification de puissance et de commutation.

Les équations de courant de drain pour un NMOS à enrichissement sont approximées par:

  • Coupure: \( I_D = 0 \)
  • Linéaire: \( I_D = \mu_n C_{ox} \frac{W}{L} [(V_{GS} – V_{th})V_{DS} – \frac{V_{DS}^2}{2}] \)
  • Saturation: \( I_D = \frac{1}{2} \mu_n C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} – V_{th})^2 \)

Où:

  • \( \mu_n \) est la mobilité des électrons.
  • \( C_{ox} \) est la capacité de l’oxyde de grille par unité de surface.
  • \( W \) est la largeur du canal.
  • \( L \) est la longueur du canal.
Mode de Fonctionnement Condition Comportement Application
Coupure \( V_{GS} < V_{th} \) MOSFET OFF Commutation (état OFF)
Linéaire \( V_{GS} > V_{th} \) et \( V_{DS} < V_{GS} - V_{th} \) Résistance contrôlée Amplification de faible signal
Saturation \( V_{GS} > V_{th} \) et \( V_{DS} > V_{GS} – V_{th} \) Courant constant (indépendant de VDS) Amplification de puissance, commutation (état ON)

Commutation avec MOSFET

Les MOSFET sont largement utilisés comme interrupteurs électroniques grâce à leur faible résistance à l’état passant (Rds(on)) et à leur capacité à être contrôlés par une tension. La commutation avec des MOSFET est rapide et efficace, ce qui les rend idéaux pour les alimentations à découpage, les gradateurs de lumière et d’autres applications de contrôle de puissance.

Pour utiliser un MOSFET comme interrupteur, il est important de choisir un MOSFET avec une tension drain-source maximale (Vds(max)) et un courant de drain continu (Id) suffisants pour l’application. Il est également important de considérer la résistance à l’état passant (Rds(on)), car elle affecte les pertes de puissance et l’efficacité du circuit.

Exemple 5: Calcul des pertes de puissance dans un MOSFET de commutation

Un MOSFET avec une résistance à l’état passant (Rds(on)) de 0.01 Ω est utilisé pour commuter un courant de 10 A. Calculez la puissance dissipée dans le MOSFET lorsqu’il est activé.

Solution: La puissance dissipée est donnée par: \( P = I^2 R = (10)^2 \times 0.01 = 1 \text{ W} \) La puissance dissipée dans le MOSFET est de 1 W. Cette puissance doit être dissipée par un dissipateur thermique si nécessaire pour éviter la surchauffe du MOSFET.