Les composants de commutation de l’électronique de puissance comme le BJT, le MOSFET, l’IGBT, le SCR, le TRIAC, etc. sont des dispositifs essentiels utilisés dans la conception de nombreux circuits allant du simple circuit d’attaque aux redresseurs et inverseurs de puissance complexes. Le plus basique d’entre eux est le BJT, et nous avons déjà appris le fonctionnement des transistors BJT. Après les BJT, les commutateurs de puissance les plus utilisés sont les MOSFETs. Par rapport aux BJT, les MOSFET peuvent gérer des tensions et des courants élevés, ce qui les rend populaires dans les applications de haute puissance. Dans cet article, nous allons apprendre les bases du MOSFET, sa construction interne, son fonctionnement et comment l’utiliser dans la conception de vos circuits. Si vous voulez sauter la théorie, vous pouvez consulter l’article sur les MOSFETs populaires et où les utiliser pour accélérer votre sélection de pièces et votre processus de conception.
Qu’est-ce qu’un MOSFET?
MOSFET signifie Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET a été inventé pour surmonter les inconvénients présents dans les FET comme la résistance de drain élevée, l’impédance d’entrée modérée et un fonctionnement plus lent. Ainsi, un MOSFET peut être appelé la forme avancée de FET. Dans certains cas, les MOSFET sont également appelés IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). En pratique, le MOSFET est un dispositif contrôlé par la tension, ce qui signifie qu’en appliquant une tension nominale à la broche de la grille, le MOSFET commencera à conduire à travers les broches du drain et de la source. Nous entrerons dans les détails plus tard dans cet article.
La principale différence entre le FET et le MOSFET est que le MOSFET possède une électrode de grille en oxyde métallique isolée électriquement du canal principal semi-conducteur n ou p par une fine couche de dioxyde de silicium ou de verre. L’isolement de la grille de contrôle augmente la résistance d’entrée du MOSFET extrêmement élevée dans la valeur des méga-ohms (MΩ).
Symbole du MOSFET
En général, le MOSFET est un dispositif à quatre bornes avec un drain (D), une source (S), une grille (G) et un corps (B) / bornes de substrat. La borne du corps sera toujours connectée à la borne de la source, par conséquent, le MOSFET fonctionnera comme un dispositif à trois bornes. Dans l’image ci-dessous, le symbole du MOSFET à canal N est montré à gauche et le symbole du MOSFET à canal P est montré à droite.
Le boîtier le plus couramment utilisé pour les MOSFET est le To-220, pour une meilleure compréhension regardons le pinout du célèbre MOSFET IRF540N (montré ci-dessous). Comme vous pouvez le voir, les broches de la porte, du drain et de la source sont listées ci-dessous. N’oubliez pas que l’ordre de ces broches change en fonction du fabricant. Les autres MOSFETs populaires sont IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000, etc
MOSFET comme commutateur
L’application la plus commune d’un MOSFET est de l’utiliser comme commutateur. Le circuit ci-dessous montre le MOSFET fonctionnant comme un dispositif de commutation pour allumer et éteindre la lampe. La tension d’entrée de la grille VGS est appliquée à l’aide d’une source de tension d’entrée. Lorsque la tension appliquée est positive, le moteur sera à l’état ON et si la tension appliquée est nulle ou négative, la lampe sera à l’état OFF.
Lorsque vous allumez un Mosfet en fournissant la tension requise à la broche de la grille, il restera allumé à moins que vous ne fournissiez 0V à la grille. Pour éviter ce problème, nous devrions toujours utiliser une résistance pull-down (R1), ici j’ai utilisé une valeur de 10k. Dans des applications telles que le contrôle de la vitesse du moteur ou la variation de la lumière, nous utiliserons un signal PWM pour une commutation rapide, pendant ce scénario la capacité de la grille du MOSFET créera un courant inverse dû à un effet parasite. Pour faire face à cela, nous devrions utiliser un condensateur de limitation de courant, j’ai utilisé une valeur de 470 ici.
La charge ci-dessus est considérée comme une charge résistive, donc le circuit est très simple, et dans le cas où nous devons utiliser une charge inductive ou capacitive, nous devons utiliser une sorte de protection pour empêcher le MOSFET d’être endommagé. Par exemple, si nous utilisons une charge capacitive sans charge électrique, elle est considérée comme un court-circuit, cela entraînera un « inrush » élevé de courant et lorsque la tension appliquée est retirée d’une charge inductive, il y aura une grande quantité d’accumulation de tension inverse dans le circuit lorsque le champ magnétique s’effondre, cela conduira à une back-emf induite dans l’enroulement de l’inducteur.
Classification du MOSFET
Le MOSFET est Classifié en deux types basés sur le type d’opérations, à savoir le MOSFET à mode d’amélioration (E-MOSFET) et le MOSFET à mode de déplétion (D-MOSFET), ces MOSFET sont encore classés en fonction du matériau utilisé pour la construction comme canal n et canal p. Ainsi, en général, il existe 4 types différents de MOSFET
- MOSFET en mode déplétion à canal N
- MOSFET en mode déplétion à canal P
- MOSFET en mode renforcement à canal N
- MOSFET en mode renforcement à canal P
Les MOSFET à canal N sont appelés NMOS et ils sont représentés par les symboles suivants .
Selon la construction interne d’un MOSFET, les broches de la grille (G), du drain (D) et de la source (S) sont physiquement connectées dans un MOSFET en mode déplétion, alors qu’elles sont physiquement séparées en mode amélioration, c’est la raison pour laquelle le symbole apparaît brisé pour un MOSFET en mode amélioration. Les MOSFET à canal P sont appelés PMOS et ils sont représentés par les symboles suivants.
Parmi les types disponibles, le MOSFET à enrichissement à canal N est le MOSFET le plus couramment utilisé. Mais pour le bien de la connaissance, essayons d’entrer dans la différence. La principale différence entre le MOSFET à canal N et le MOSFET à canal P est que dans un canal N, l’interrupteur du MOSFET reste ouvert jusqu’à ce qu’une tension de grille soit fournie. Lorsque la broche de la grille reçoit la tension, le commutateur (entre le drain et la source) se ferme et dans un MOSFET à canal P, le commutateur reste fermé jusqu’à ce qu’une tension de grille soit fournie.
De même, la principale différence entre le MOSFET à mode d’amélioration et le MOSFET à mode de déplétion est que la tension de grille appliquée au E-MOSFET doit toujours être positive et qu’il a une tension de seuil au-dessus de laquelle il s’allume complètement. Pour un D-MOSFET, la tension de grille peut être positive ou négative et il ne s’allume jamais complètement. Notez également qu’un D-MOSFET peut fonctionner en mode d’enrichissement et d’appauvrissement, tandis qu’un E-MOSFET ne peut fonctionner qu’en mode d’enrichissement.
Construction du MOSFET
L’image ci-dessous montre la structure interne typique du MOSFET. Bien que le MOSFET soit une forme avancée de FET et fonctionne avec les mêmes trois bornes qu’un FET, la structure interne du MOSFET est vraiment différente du FET général.
Si vous regardez la structure, vous pourriez voir que la borne de grille est fixée sur la fine couche métallique qui est isolée par une couche de dioxyde de silicium (SiO2) du semi-conducteur, et vous pourrez voir deux semi-conducteurs de type N fixés dans la région du canal où les bornes de drain et de source sont placées. Le canal entre le drain et la source du MOSFET est de type N, à l’opposé de cela, le substrat est de type P. Cela permet de polariser le MOSFET en fonction de la température. Cela permet de polariser le MOSFET dans les deux polarités, positive ou négative. Si la borne de la grille du MOSFET n’est pas polarisée, il restera dans l’état non conducteur, d’où le MOSFET est principalement utilisé dans la conception des commutateurs et des portes logiques.
Principe de fonctionnement du MOSFET
En général, le MOSFET fonctionne comme un commutateur, le MOSFET contrôle la tension et le flux de courant entre la source et le drain. Le fonctionnement du MOSFET dépend du condensateur MOS, qui est la surface semi-conductrice située sous les couches d’oxyde entre la borne de la source et du drain. Il peut être inversé de type p à type n, simplement en appliquant une tension de grille positive ou négative respectivement. L’image ci-dessous montre le schéma fonctionnel du MOSFET.
Lorsqu’une tension drain-source (VDS) est connectée entre le drain et la source, une tension positive est appliquée au drain, et la tension négative est appliquée à la source. Ici, la jonction PN du drain est polarisée en inverse et la jonction PN de la source est polarisée en direct. A ce stade, il n’y aura pas de circulation de courant entre le drain et la source.
Si nous appliquons une tension positive (VGG) à la borne de grille, en raison de l’attraction électrostatique, les porteurs de charge minoritaires (électrons) dans le substrat P vont commencer à s’accumuler sur le contact de grille qui forme un pont conducteur entre les deux régions n+. Le nombre d’électrons libres accumulés sur le contact de grille dépend de l’intensité de la tension positive appliquée. Plus la tension appliquée est élevée, plus la largeur du canal n formé en raison de l’accumulation d’électrons est grande, ce qui finit par augmenter la conductivité et le courant de drain (ID) commencera à circuler entre la source et le drain.
Lorsqu’il n’y a pas de tension appliquée à la borne de grille, il n’y aura pas de circulation de courant à part une petite quantité de courant due aux porteurs de charge minoritaires. La tension minimale à laquelle le MOSFET commence à conduire est appelée la tension de seuil.
Fonctionnement du MOSFET en mode déplétion :
Les MOSFET en mode déplétion sont généralement appelés les dispositifs « Switched ON » car ils sont généralement dans l’état fermé lorsqu’il n’y a pas de tension de polarisation à la borne de la grille. Lorsque nous augmentons la tension appliquée à la grille en positif, la largeur du canal sera augmentée en mode de déplétion. Cela augmentera le courant de drain ID à travers le canal. Si la tension appliquée à la grille est fortement négative, alors la largeur du canal sera moindre et le MOSFET pourrait entrer dans la région de coupure.
Caractéristiques V-I:
Les caractéristiques V-I du transistor MOSFET en mode de déplétion sont tracées entre la tension drain-source (VDS) et le courant de drain (ID). La petite quantité de tension à la borne de la grille va contrôler le flux de courant à travers le canal. Le canal formé entre le drain et la source agira comme un bon conducteur avec une tension de polarisation nulle à la borne de la grille. La largeur du canal et le courant de drain augmenteront si la tension positive est appliquée à la grille alors qu’ils seront diminués lorsque nous appliquons une tension négative à la grille.
Fonctionnement du MOSFET en mode amélioration:
Le fonctionnement du MOSFET en mode amélioration est similaire au fonctionnement de l’interrupteur ouvert, il commencera à conduire seulement si la tension positive(+VGS) est appliquée à la borne de la grille et le courant de drain commence à circuler à travers le dispositif. La largeur du canal et le courant de drain augmentent lorsque la tension de polarisation augmente. Mais si la tension de polarisation appliquée est nulle ou négative, le transistor restera lui-même dans l’état OFF.
Caractéristiques VI:
Les caractéristiques VI du MOSFET à mode d’enrichissement sont tracées entre le courant de drain (ID) et la tension drain-source (VDS). Les caractéristiques VI sont partitionnées en trois régions différentes, à savoir les régions ohmique, de saturation et de coupure. La région de coupure est la région où le MOSFET est à l’état OFF lorsque la tension de polarisation appliquée est nulle. Lorsque la tension de polarisation est appliquée, le MOSFET se déplace lentement vers le mode de conduction, et la lente augmentation de la conductivité a lieu dans la région ohmique. Enfin, la région de saturation est celle où la tension positive est appliquée constamment et le MOSFET restera dans l’état de conduction.
Packages de MOSFET
Les MOSFET sont disponibles dans différents packages, tailles et noms pour leur utilisation dans différents types d’applications. En général, les MOSFETs livrés dans 4 emballages différents, à savoir, montage en surface, Thru-Hole, PQFN, et DirectFET
Les MOSFETs sont disponibles avec un nom différent dans chaque type d’emballages comme suit:
Montage en surface : TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, etc.
Montage en surface : TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, etc.
PQFN : PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, etc.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, etc.