Les transistors MOSFET

Un transistor MOSFET (son nom en abrégé vient de la traduction en français de l'expression complète Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) est un transistor à effet de champ avec une structure MOS qui permet de contrôler le flux de courant dans le circuit. Il est couramment utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électroniques en raison de leur efficacité et de leur rapidité. Identiquement aux transistors FET, ce type de transistor comporte trois terminaux de connexion tels que:

• Grille (gate): permet de contrôler l'ouverture et la fermeture du canal régulant ainsi le flux de courant.
• Drain (drain): c'est la connexion par laquelle le courant sort du transistor.
• Source (source): c'est la connexion par laquelle le courant entre le transistor.

La particularité de ce transistor MOSFET par rapport aux transistors FET réside dans sa structure: la grille est isolée du canal par une fine couche d'oxyde. En effet, lorsque la tension appliquée à la grille dépasse un certain seuil, celle-ci contrôle l'ouverture ou la fermeture du canal, permettant ou bloquant ainsi le passage du courant entre le drain et la source.

Les principaux types du transistors MOSFET

En électronique, il existe deux types de transistors MOSFET tels que: 

• Le transistor de type N-MOSFET: il s'agit d'un transistor FET avec un canal de type N, doté d'une fine couche d'oxyde de silicium (SiO₂) isolante qui sépare la grille du canal. Ce transistor présente une capacité à fonctionner à haute fréquence avec une faible résistance en état passant. On le retrouve largement dans les portes logiques, les microcontrôleurs et les circuits intégrés, les régulateurs de tension et les convertisseurs de puissance, les circuits de commutation pour contrôler des charges inductives et résistives, ainsi que les amplificateurs analogiques.

• Le transistor de type P-MOSFET: c'est également un transistor FET mais avec un canal de type P, doté d'une fine couche isolante, identiquement au transistor de type N-MOSFET, d'oxyde de silicium (SiO₂) qui sépare la grille du canal. Ce transistor répond bien au domaine de la commutation numérique rapide grâce à sa faible consommation d'énergie. Il est souvent utilisé dans la conception de circuits intégrés, comme les microprocesseurs et les mémoires. On le retrouve également dans les circuits d'alimentation et les régulateurs de tension destinés à contrôler les charges, ainsi que dans les amplificateurs analogiques (généralement en complément avec un transistor N-MOSFET). Ce transistor est également un composant élémentaire et essentiel des technologies CMOS, qui permettent de réaliser des portes logiques (à faible consommation d'énergie).

Les autres types de transistors

Outre les MOSFET de type N-MOSFET et type P-MOSFET, il existe d'autres variantes de MOSFET pour des applications particulières telles que:

• MOSFET à canal symétrique (Dual-Gate MOSFET): Un MOSFET à canal symétrique, aussi appelé Dual-Gate MOSFET, est un type de transistor qui possède deux grilles au lieu d'une. Ces transistors sont utilisés principalement dans les applications RF (Radio Fréquence) et pour des amplifications à faible bruit, comme dans les récepteurs radio ou les amplificateurs à faible puissance. L'utilisation de deux grilles permet un contrôle plus précis du canal, améliorant ainsi les caractéristiques de performance, notamment la linéarité et la bande passante. Nous pouvons citer comme références  2N5172, 2N5643, BFQ20, BFQ19, 3N163, 2N5132, CGY160, ...
• MOSFET à grille flottante (Floating Gate MOSFET): Le MOSFET à grille flottante est principalement utilisé dans les mémoires flash. Dans ce type de transistor, la grille n'est pas connectée à un terminal externe, mais est isolée et "flottante". Cela permet de stocker des charges électriques sur la grille, ce qui est utilisé pour l’enregistrement et la lecture de données dans les mémoire flash NAND, les flash NOR et les EEPROM. Nous citons par exemple les références suivantes: FDS6680A, MX29LV320, Intel 29F016, Intel 29F080B, STMicroelectronics M29F400BB, ...
• MOSFET à canal vertical (Vertical MOSFET): Les MOSFET à canal vertical, ou V-Groove MOSFET, ont leur canal de conduction orienté verticalement par rapport au substrat, contrairement aux MOSFET classiques où le canal est parallèle au substrat. Ce type de MOSFET est utilisé dans les applications de puissance et haute tension, notamment dans les circuits de commutation pour des applications industrielles telles que l'alimentation des moteurs ou les convertisseurs de puissance. La structure verticale permet une meilleure gestion thermique, ce qui est essentiel dans les applications où de grandes quantités de chaleur sont générées.
• MOSFET de puissance (Power MOSFET): Bien que cette catégorie soit souvent considérée comme un sous-ensemble des N-MOSFET ou P-MOSFET, les MOSFET de puissance sont des transistors spécialement conçus pour gérer de grandes quantités de courant avec une faible dissipation thermique. Ils sont utilisés dans des applications de commutation haute puissance, telles que les alimentations à découpage, les moteurs électriques, les convertisseurs de puissance, et dans les dispositifs DC-DC converters. Les MOSFET de puissance peuvent être basés sur des MOSFET N ou P en fonction des besoins du circuit.
• MOSFET à hautes températures (High Temperature MOSFET): Certains MOSFET sont spécialement conçus pour fonctionner dans des environnements à haute température. Ces MOSFET à haute température sont utilisés dans des applications industrielles, militaires et aérospatiales où les températures peuvent dépasser les limites des transistors MOSFET classiques. Ils sont fabriqués avec des matériaux semi-conducteurs et des isolants capables de résister à des températures élevées, ce qui leur permet de maintenir des performances optimales dans des environnements extrêmes.
• MOSFET à carbure de silicium (SiC MOSFET): Le MOSFET SiC (carbure de silicium) est un type de transistor MOSFET fabriqué à partir de carbure de silicium au lieu de silicium traditionnel. Les MOSFET SiC sont utilisés dans des applications à haute puissance, haute température et haute fréquence, telles que les convertisseurs de puissance, les alimenteurs à découpage et les systèmes de traction électrique. Ils offrent de meilleures performances que les MOSFET en silicium classiques, notamment une meilleure gestion thermique et une résistance plus faible à des températures élevées.
• MOSFET à oxyde métallique à haute mobilité (High Electron Mobility Transistor, HEMT): Les HEMT (High Electron Mobility Transistor) sont des transistors qui utilisent des matériaux à haute mobilité d'électrons, comme l'arséniure de gallium (GaAs), au lieu du silicium. Ils sont utilisés dans des applications de radiofréquences et micro-ondes, comme dans les amplificateurs RF ou les systèmes de communication à haute vitesse. Ces transistors offrent des vitesses de commutation plus rapides et une meilleure efficacité que les MOSFET en silicium dans les applications haute fréquence.
• MOSFET de type N-Channel enhancement mode (N-Channel Enhancement Mode MOSFET): Les MOSFET N-Channel enhancement mode sont un type de N-MOSFET qui fonctionne selon le principe de l'amélioration de la conductivité. Ces transistors ne conduisent pas en l'absence de tension à la grille, mais seulement lorsque celle-ci est suffisamment positive par rapport à la source. Ils sont couramment utilisés pour les applications à commutation et amplification dans des circuits numériques et analogiques.
• MOSFET de type P-Channel enhancement mode (P-Channel Enhancement Mode MOSFET): Semblables aux MOSFET N-Channel enhancement mode, les MOSFET P-Channel enhancement mode fonctionnent en améliorant la conductivité du canal lorsque la grille est mise sous une tension négative par rapport à la source. Ces P-MOSFET sont utilisés dans des configurations complémentaires avec des N-MOSFET pour réaliser des circuits logiques et des amplificateurs à faible consommation d'énergie, notamment dans des circuits CMOS.

Le symbole d'un transistor MOSFET

Les transistors MOSFET sont constitués, comme les transistors FET, de trois couches semi-conductrices superposées, avec une jonction entre les deux couches du canal N ou P, qui englobe le canal séparé par une couche isolante. Ce composant est doté de trois connexions : la Grille, le Dain et la Source.

Transistor N-MOSFET	Transistor P-MOSFET

Nous retrouvons dans la littérature d'autres symboles pour les transistors MOSFET, présentés ci-dessous par ordre de fréquence d'utilisation croissante dans la commutation numérique :

Transistor N-MOSFET	Transistor P-MOSFET

Caractéristiques du transistor

Un transistor MOSFET dispose de deux modes de fonctionnement; le mode linéaire ou ohmique et le mode saturé. Pour cela, la tension de seuil \( V_{s} \) est le paramètre essentiel pour contrôler et déterminer le mode de fonctionnement du MOSFET. Sa compréhension est cruciale pour la conception de circuits électroniques efficaces, comme :

• La mise en service de la zone d'inversion : lorsqu'une tension positive est appliquée à la grille d'un MOSFET à canal N, les électrons sont attirés vers la surface du substrat, créant ainsi une zone d'inversion. Cette zone devient alors conductrice et forme un canal entre le drain et la source. À la différence d'un transistor MOSFET à canal P, une tension négative est nécessaire pour attirer les trous et former un canal conducteur.
• Sa particularité réside dans la tension de seuil : la valeur de \( V_{s} \) dépend de plusieurs facteurs, notamment du type de matériau semi-conducteur constituant la composition du transistor, du dopage, de la température et de la structure de la grille. En général, cette tension de seuil varie entre 0,5 V et 3 V, selon l'application du composant électronique.
• Son mode de fonctionnement : pour cette zone de fonctionnement, nous pouvons distinguer deux états (cette fonctionnalité est très intéressante pour les composants numériques, comme par exemple les portes logiques)
  
  • état passant: Si \( V_{GS} > V_{s} \): le transistor est en mode ON (l'équivalent d'un interrupteur fermé), et le courant peut circuler entre le drain et la source. Dans ce régime, le transistor peut fonctionner en saturation ou en région linéaire, en fonction de la tension appliquée.
  • état de blocage: Si \( V_{GS} < V_{s} \), le transistor est en mode OFF (l'équivalent d'un interrupteur ouvert), ce qui signifie qu'il n'y a pas de canal conducteur entre le drain et a source du transistor et, par conséquent, pas de courant qui circule entre ces deux élements.

Pour le bon fonctionnement d'un transistor MOSFET, les paramètres suivants influent sur son fonctionnement :

• les paramètres qui affectent directement sur la valeur de la tension de seuil  \( V_{s} \) tels que:
  • le niveau de dopage du substrat : cela affecte directement la valeur de \( V_{s} \). En effet, plus le dopage est élevé, plus la valeur de la tension de seuil \( V_{s} \) sera faible.
  • la capacité de grille: l'aptitude à faire circuler le courant électrique entre la grille et le canal joue un rôle important dans la formation de la zone d'inversion dans ce type de transistor
  • l'effet de l'oxydation: la valeur de tension de seuil \( V_{s} \) est impactée directement par la qualité et l'épaisseur de l'oxyde isolant entre la grille et le canal de ce composant électrique.
• La température de fonctionnement : La tension de seuil \(V_{s}\) varie avec la température. En général, elle diminue plus vite que la température augmente, ce qui peut affecter les performances du circuit. C'est pourquoi la plupart du temps, des dissipateurs thermiques tels que des radiateurs sont utilisés.