Transistors à effet de champ à grille isolée (MOSFET) : conception, fonctionnement et variantes de puissance

Le transistor à effet de champ à grille isolée (IGFET), communément appelé transistor à effet de champ metal-oxide-semiconductor (MOSFET), est une variante majeure de la famille des transistors à effet de champ. Dans l'électronique contemporaine, les MOSFET dominent les circuits intégrés numériques, chaque puce contenant souvent des centaines de millions de dispositifs individuels. Leurs dimensions tombent régulièrement sous le micron, se réduisant environ tous les 18 mois conformément à la loi de Moore. Bien que les transistors bipolaires discrets (BJT) restent plus courants dans les boîtiers autonomes, les MOSFET de grande surface peuvent commuter près de 100 A à basse tension, et des dispositifs spécialisés peuvent gérer jusqu'à 1 kV à des courants plus faibles. Ces transistors occupent une fraction substantielle d'un centimètre carré de silicium, soulignant leur importance dans les systèmes à puissance contrainte.

Fonctionnement du MOSFET

Un MOSFET partage les terminaux source, grille et drain d'un FET conventionnel, mais la grille est isolée du silicium par une fine couche d'oxyde. La structure de grille ressemble à un condensateur Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) — lorsqu'il est chargé, la grille induit une couche d'inversion qui conduit entre source et drain. Pour un dispositif à canal n, une polarisation positive de grille attire les électrons dans le substrat de type p, formant un canal n inversé qui relie la source et le drain fortement dopés. Le résultat est un dispositif unipolaire où un seul type de porteur — les électrons dans ce cas — assure la conduction.

E-MOSFET (Mode enrichissement)

La configuration décrite ci-dessus est un MOSFET mode enrichissement, le type le plus ubiquitaire. Le dispositif est normalement éteint ; une tension de grille au-dessus du seuil l'allume en enrichissant le canal d'inversion. Contrairement aux BJT, la grille du MOSFET ne consomme aucun courant continu, seulement une brève pointe pour charger sa capacitance.

Coupe transversale MOSFET discret

La coupe transversale d'un MOSFET discret typique à canal n est montrée ci-dessous. Le dopage de type n lourd (N+) à la source et au drain réduit la résistance série, tandis qu'un dopage plus léger (N−) dans la région du canal minimise la fuite. La région de grille de type p peut être inversée par un biais positif, créant un chemin à faible résistance de la source au drain. De nombreux dispositifs haute puissance emploient une disposition en serpent pour augmenter la surface de canal effective et la capacité de courant.

V-MOS (MOSFET en V)

Les dispositifs V-MOS présentent une grille en forme de V qui élargit la surface du canal source-drain, réduisant la résistance à l'état passant et permettant une gestion de puissance plus élevée. Une variante en U (UMOS) offre une meilleure fabricabilité tout en préservant les performances.

Points clés

• Les MOSFET conduisent avec un seul type de porteur, les rendant unipolaires comme les FET mais distincts des BJT.
• La tension de grille contrôle le courant source-drain ; la grille consomme virtuellement aucun courant continu.
• La charge initiale de la grille nécessite une brève pointe, mais la fuite est négligeable.

Feuilles de travail associées

• Feuille de travail : Aperçu transistors conventionnels et transistors spéciaux