Etude du transistor MOSFET

1  Introduction

          Le transistor MOSFET ("Métal Oxyde Semi-conducteur Field Effet Transistor") appelé également MOST ou simplement MOS ressemble, par son principe de fonctionnement, au JFET. Dans ce type de transistor, la grille ne forme pas une jonction avec le canal drain-source (comme dans le cas du JFET) mais est isolée de celui-ci par un dépôt d'oxyde de silicium.

          Deux structures sont envisageables (Fig.I.5), l'une se rapproche de celle du JFET (Fig.5.a), on parle alors de MOS à appauvrissement. L'autre structure diffère quelque peu de celle du JFET (Fig.I.5.b), on parle dans ce cas de MOS à enrichissement. Les deux structures ci-dessous peuvent, bien entendu, être réalisées en canal N ou P ce qui donne quatre types de MOS [9].

On constate que, pour les deux structures du MOSFET, le drain et la source forment une jonction avec le substrat (c'est-à-dire le "support" du transistor).

          Dans un circuit intégré, cette jonction est toujours polarisée en sens inverse mais la différence de potentiel à ses bornes modifie le comportement du MOSFET.

Les symboles des quatre types de MOSFET sont les suivants (Fig.I.6), l'électrode B représente le substrat, G la grille, S la source et D le drain.

Remarque

          Dans ce qui suit, on considérera uniquement des MOSFET à canal n. Le fonctionnement des MOSFET à canal p peut être déduit de celui des MOSFET à canal n en inversant le sens des tensions et des courants.

2  Principe de fonctionnement du MOSFET à enrichissement [9]

          Lorsque la tension grille-source est nulle, aucun courant ne peut traverser le dispositif. (On a deux jonctions PN tête-bêche).

          Si on applique une tension U_GS positive entre grille et source, les électrons apparaissant dans la zone P se combinent avec les trous et forment une zone sans charges mobiles sous la grille (Fig.I.7.a). Si on augmente la tension U_GS, les électrons deviennent majoritaires et créent une zone N sous la grille. On parle alors de zone d'inversion (Fig.I.7.b). Dans ce cas, un courant peut s'établir entre drain et source.

On constate que :

ü   D'une part, un courant ne peut circuler entre drain et source que si U_GS dépasse une certaine valeur U_S0 appelée tension de seuil ("threshold voltage").

ü    D'autre part, lorsqu'un courant circule entre drain et source, une tension apparaît entre drain et source, ce qui a pour effet de diminuer la tension grille-cana1. A la limite, cette tension diminue suffisamment pour que le canal soit fermé donc le transistor fonctionne en source de courant.

3  Caractéristiques du MOSFET [9]

          Le comportement général du MOSFET se déduit à des constatations faites au paragraphe précédent. La figure.I.8.a illustre la caractéristique I_D fonction de U_DS sur laquelle on constate que :

ü  pour U_DS nul, le dispositif travaille en résistance variable en fonction de U_GS.

ü  pour U_DS supérieure à une certaine valeur, le MOSFET travaille en source de courant commandée par U_GS.

ü  le fonctionnement en source de courant n’est pas idéal (effet Early), ce qui se traduit par la pente gds sur la caractéristique I_D fonction de U_DS.

          En résumé, on peut considérer que le MOSFET fonctionne comme une résistance commandée par la tension de grille lorsque la tension drain-source reste faible face à la tension de seuil. Ce mode de fonctionnement est principalement utilisé pour réaliser des circuits digitaux. Lorsque la tension drain-source est élevée le transistor se comporte comme une source de courant commandée par la tension de grille. On utilise ce mode de fonctionnement dans des applications analogiques.