Chapitre 10 : Les MOSFETS 

La structure “métal – isolant - semi-conducteur” est l'une des plus importantes puisqu'elle a conduit en particulier aux transistors dits MOSFETS (pour metal oxide semiconductor field effect transistor). En première approximation le MOSFET est voisin du FET à jonction puisqu'il s'agit ici encore d'un canal dont la conductance est pilotée par une grille, mais la différence essentielle vient du fait que l'électrode de commande est isolée du canal par un diélectrique et que la commande sera donc de type capacitif. 

• 1. MOSFET à appauvrissement
• 2. MOSFET à enrichissement
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1.      MOSFET à appauvrissement ou à déplétion (D-MOSFET)

La figure ci-dessus illustre parfaitement le principe d'un transistor MOS à canal N. La source et le drain sont de type N et la grille est isolée du semi-conducteur par une couche de bioxyde de silicium (SiO2) ou de Si₃N₄ ou d'un empilement des deux. 

Ce type de transistor est un MOSFET à appauvrissement (déplétion). Son abréviation est “D-MOSFET” 

Principe de fonctionnement : le transistor D-MOSFET peut fonctionner sous deux régimes :

-         Régime d’appauvrissement

-         Régime d’enrichissement

Comme la grille est isolée du canal, on peut y appliquer une tension positive ou négative. Il fonctionne en régime d’appauvrissement lorsqu’une tension négative est appliquée sur la grille et en régime d’enrichissement lorsque c’est une tension positive qui y est appliquée. Les D-MOSFETS sont, en général, utilisés en régime d’appauvrissement. 

Ø      Régime d’appauvrissement

La grille est comme une des plaques d’un condensateur et le canal est l’autre plaque. La couche isolante au bioxyde de silicium est le matériau diélectrique.

Avec une tension de grille négative, les charges négatives de grille repoussent les électrons de conduction du canal laissant les ions positifs à leur place.

Le canal N est appauvri de quelques électrons diminuant ainsi la conductibilité du canal. Plus la tension est négative sur la grille, plus on intensifie l’appauvrissement du canal. 

À VGS off, le canal est totalement appauvri et le courant drain devient nul. 

Ø      Régime d’enrichissement

Avec une tension de grille positive, plus d’électrons sont attirés vers le canal, ce qui augmente (enrichit) la conductibilité du canal. 

Symbole

2.      MOSFET à enrichissement (E-MOSFET) (E = Enhancement en anglais)

Il fonctionne seulement en régime d’enrichissement et ne possède pas de régime d’appauvrissement. Sa conception est différente du D-MOSFET. En effet il ne possède pas de canal structural.

Pour un canal N, une tension de grille positive au-dessus de la valeur de seuil, induit un canal en créant une mince couche de charges négatives dans la région du substrat contiguë à la couche de SiO2.

 La conductibilité du canal est enrichie en augmentant la tension entre grille et source. Le canal se comporte comme une simple résistance (on exploitera ce mode de fonctionnement très fréquemment dans les dispositifs logiques aussi bien qu'analogiques).

Si V_DD croit, alors on obtient un effet de pincement analogue à celui constaté dans le JFET. 

Symbole

Les pointillés indiquent qu’il n’y a pas de canal physique et donc qu’il n’y a aucune circulation de courant entre drain et source tant qu’il n’y a pas de tension positive sur la grille. 

Remarque 

Les MOS à enrichissement sont les plus faciles à fabriquer (il n'y a qu'à diffuser la source et le drain). Cependant ces transistors présentent un inconvénient majeur par rapport aux J-FET, c'est leur sensibilité aux charges statiques liée à leur très grande impédance d'entrée (>1000MW). En effet, si V_GS est trop important, en raison de la très faible épaisseur du diélectrique (< 0.1 mm), ils claquent.  

Caractéristiques des différents types de transistors MOS