Transistors à effet de champ à grille isolée (MOSFET)

Le transistor à effet de champ à grille isolée (IGFET), également connu sous le nom de Transistor à effet de champ à oxyde métallique (MOSFET), est un dérivé du transistor à effet de champ (FET). Aujourd'hui, la plupart des transistors sont de type MOSFET en tant que composants de circuits intégrés numériques. Bien que les BJT discrets soient plus nombreux que les MOSFET discrets. Le nombre de transistors MOSFET dans un circuit intégré peut approcher des centaines de millions. Les dimensions des dispositifs MOSFET individuels sont inférieures au micron, diminuant tous les 18 mois. Des MOSFET beaucoup plus gros sont capables de commuter près de 100 ampères de courant à basse tension ; certains gèrent près de 1000 V à des courants plus faibles. Ces dispositifs occupent une bonne fraction de centimètre carré de silicium. Les MOSFET trouvent une application beaucoup plus large que les JFET. Cependant, les dispositifs de puissance MOSFET ne sont pas aussi largement utilisés que les transistors à jonction bipolaire à l'heure actuelle.

Opération MOSFET

Le MOSFET a des bornes de source, de grille et de drain comme le FET. Cependant, le fil de grille n'établit pas de connexion directe avec le silicium par rapport au cas du FET. La grille MOSFET est une couche métallique ou de polysilicium au-dessus d'un isolant en dioxyde de silicium. La porte ressemble à un Semiconducteur à oxyde métallique (MOS) condensateur dans la figure ci-dessous. Lorsqu'elles sont chargées, les plaques du condensateur prennent la polarité de charge des bornes de batterie respectives. La plaque inférieure est en silicium de type P dont les électrons sont repoussés par la borne négative (-) de la batterie vers l'oxyde et attirés par la plaque supérieure positive (+). Cet excès d'électrons à proximité de l'oxyde crée un canal inversé (excès d'électrons) sous l'oxyde. Ce canal est également accompagné d'une région d'appauvrissement isolant le canal du substrat de silicium massif.

Condensateur MOS à canal N :(a) pas de charge, (b) chargé.

Dans la figure ci-dessous (a), le condensateur MOS est placé entre une paire de diffusions de type N dans un substrat de type P. Sans charge sur le condensateur, sans polarisation sur la grille, les diffusions de type N, la source et le drain, restent isolées électriquement.

MOSFET canal N (type d'amélioration) :(a) polarisation de grille 0 V, (b) polarisation de grille positive.

Une polarisation positive appliquée à la grille charge le condensateur (la grille). La grille au sommet de l'oxyde prend une charge positive de la batterie de polarisation de grille. Le substrat de type P sous la grille prend une charge négative. Une région d'inversion avec un excès d'électrons se forme sous l'oxyde de grille. Cette région relie maintenant les régions de type N de source et de drain, formant une région N continue de la source au drain. Ainsi, le MOSFET, comme le FET est un dispositif unipolaire. Un type de porteur de charge est responsable de la conduction. Cet exemple est un MOSFET à canal N. La conduction d'un courant important de la source au drain est possible avec une tension appliquée entre ces connexions. Un circuit pratique aurait une charge en série avec la batterie de décharge de la figure ci-dessus (b).

E-MOSFET

Le MOSFET décrit ci-dessus dans la figure ci-dessus est connu sous le nom de mode d'amélioration MOSFET. Le canal non conducteur, désactivé, est activé en améliorant le canal sous la grille par application d'une polarisation. C'est le type d'appareil le plus courant. L'autre type de MOSFET ne sera pas décrit ici. Voir le chapitre Transistor à effet de champ à grille isolée pour le mode d'épuisement appareil.

Le MOSFET, comme le FET, est un dispositif contrôlé en tension. Une entrée de tension à la grille contrôle le flux de courant de la source au drain. La porte ne tire pas de courant continu. Cependant, la porte tire une surtension pour charger la capacité de la porte.

La section transversale d'un MOSFET discret à canal N est illustrée à la figure ci-dessous (a). Les dispositifs discrets sont généralement optimisés pour la commutation haute puissance. Le N+ indique que la source et le drain sont fortement dopés de type N. Cela minimise les pertes résistives dans le chemin de courant élevé de la source au drain. Le N- indique un dopage léger. La région P sous la grille, entre la source et le drain, peut être inversée par application d'une tension de polarisation positive. Le profil de dopage est une section transversale, qui peut être disposée en serpentin sur la puce de silicium. Cela augmente considérablement la surface et, par conséquent, la capacité de manipulation actuelle.

MOSFET à canal N (type d'amélioration) :(a) Coupe transversale, (b) symbole schématique.

Le symbole schématique MOSFET de la figure ci-dessus (b) montre une grille « flottante », indiquant l'absence de connexion directe au substrat de silicium. La ligne brisée de la source au drain indique que ce dispositif est éteint, non conducteur, avec une polarisation nulle sur la grille. Un MOSFET normalement "off" est un dispositif de mode d'amélioration. Le canal doit être amélioré par l'application d'une polarisation à la grille pour la conduction. L'extrémité « pointée » de la flèche du substrat correspond au matériau de type P, qui pointe vers un canal de type N, l'extrémité « non pointée ». C'est le symbole d'un MOSFET à canal N. La flèche pointe dans la direction opposée pour un dispositif à canal P (non représenté). Les MOSFET sont constitués de quatre terminaux :source, grille, drain et substrat. Le substrat est connecté à la source dans des MOSFET discrets, faisant de la partie emballée un dispositif à trois bornes. Les MOSFET, qui font partie d'un circuit intégré, ont le substrat commun à tous les appareils, à moins qu'ils ne soient volontairement isolés. Cette connexion commune peut être collée hors de la matrice pour une connexion à une tension de polarisation de terre ou d'alimentation.

V-MOS

Transistor « V-MOS » à canal N :(a) Coupe transversale, (b) symbole schématique.

Le V-MOS Le dispositif dans (Figure ci-dessus) est un MOSFET de puissance amélioré avec le profil de dopage agencé pour une résistance inférieure de la source à l'état passant. VMOS tire son nom de la région de grille en forme de V, qui augmente la section transversale du chemin source-drain. Cela minimise les pertes et permet la commutation de niveaux de puissance plus élevés. UMOS, une variante utilisant une rainure en forme de U, est plus reproductible en fabrication.

AVIS :

• Les MOSFET sont des dispositifs à conduction unipolaire, à conduction avec un type de porteur de charge, comme un FET, mais contrairement à un BJT.
• Un MOSFET est un dispositif contrôlé en tension comme un FET. Une entrée de tension de grille contrôle la source pour drainer le courant.
• La porte MOSFET ne consomme pas de courant continu, à l'exception des fuites. Cependant, une surtension initiale considérable est nécessaire pour charger la capacité de la grille.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Aperçu des transistors conventionnels et feuille de travail sur les transistors spéciaux