• Aucun article dans le panier.

Le transistor MOSFET

Généralités

Le transistor à effet de champ MOSFET (Metal Oxyde Semi Conducter) est différent du JFET par le fait que la grille est isolée du canal. Il est encore appelé FET à Grille isolé. On distingue deux types de transistors MOS:

  • Le MOS à appauvrissement ou déplétion
  • Le MOS à enrichissement.

MOS à déplétion : appauvrissement

Structure et fonctionnement

Un MOS à enrichissement canal N ou canal P est constitué d’un bureau conducteur de matériau N ou P à région P ou N sur la droite et à Grille isolé sur la gauche.

00
La région P appelée substrat peut réduire le chemin de conduction en rendant le canal étroit. Une mince couche de dioxyde de silicium SiO2 est disposée sur le côté gauche de fonctionnement selon la polarité de la grille.

Régime d’appauvrissement:

01
La grille est portée à un potentiel négatif, cette polarisation de la Grille contribue à réduire le canal à travers laquelle passent les électrons qui circulent de la source vers le Drain, plus la grille est négative. Ce fonctionnement du MOS est semblable à celui du JFET.

Régime d’enrichissement du MOS à appauvrissement:

02

La Grille est portée à un potentiel positif, cette polarisation va augmenter le nombre d’électron libre qui traverse le canal, plus la tension de Grille est positive plus le courant de Drain est positif.
En raison de la couche isolante, un courant de Grille négligeable circule dans les deux régimes. C’est aussi que la résistance d’entrée d’un MOS est extrêmement grande.

Caractéristique statique

Caractéristiques du Drain:
ID=ƒ(VDS)|VGS=cste

03
VGS blocage < VGS < 0 : Régime d’appauvrissement.
VGS >0 : Régime d’enrichissement.

Caractéristiques des transconductances ID=f(VDS)

04
On a toujours ID=IDSS(1-VGS/VP)2 avec VGS<0 ; VGS>0
Lorsque VGS=0 ; ID=IDSS

Polarisation des MOS à appauvrissement

Sa polarisation est la même que celle d’un JFET. On peut donc distinguer la polarisation automatique, la polarisation par source de courant ici est conseillée. Cependant comme il peut aussi fonctionner en régime d’enrichissement, il convient de régler son point de repos Q à VGS=0. On utilise alors un circuit de polarisation.

05

Application des MOS à déplétion

Une fois le MOS à déplétion polarisé à un point Q, il amplifie les petits signaux comme un JFET, et son schéma équivalent reste identique à celui d’un JFET en petits signaux. Ce MOS constitue aussi un amplificateur tampon idéal, car sa Grille isolé fait tendre sa résistance d’entrée à l’infini.


MOS à enrichissement

Structure et fonctionnement

Dans un MOS à enrichissement, le substrat s’étend jusqu’à la couche du dioxyde de silicium, il y’a plus de canal entre le Drain et la Source.

06

Fonctionnement

Lorsque VGS=0 la source VDD tente de faire circuler les électrons de S vers D. Mais le substrat n’ayant que quelques porteurs minoritaires, le courant entre S et D est nul. C’est pour cette raison que le MOS à enrichissement est appelé MOS normalement bloqué.
Lorsque VGS>0 la Grille et le substrat ressemble à deux plaques d’un condensateur séparé par un isolant. La Grille attire les électrons libres de S dans le point inférieur gauche de S dans le point inférieur gauche de la couche P.https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?client=ca-pub-4189786384747948&output=html&h=280&adk=3392924909&adf=3569498129&pi=t.aa~a.2120744211~i.13~rp.1&w=1140&fwrn=4&fwrnh=100&lmt=1638099113&num_ads=1&rafmt=1&armr=3&sem=mc&pwprc=8187843732&psa=1&ad_type=text_image&format=1140×280&url=https%3A%2F%2Fwww.mongosukulu.com%2Findex.php%2Fcontenu%2Fgenie-electrique4%2Felectronique%2F710-le-transistor-mosfet%3Fshowall%3D1&flash=0&fwr=0&pra=3&rh=200&rw=1140&rpe=1&resp_fmts=3&wgl=1&fa=27&dt=1638099114992&bpp=15&bdt=1538&idt=15&shv=r20211111&mjsv=m202111110101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3D2229327836064195-22c5373f2ab90098%3AT%3D1604844528%3ART%3D1604844528%3AS%3DALNI_MYYcNgq7v-u2nmr01_ZrQdVNU6WCQ&prev_fmts=0x0%2C1200x280&nras=3&correlator=7005284815962&frm=20&pv=1&ga_vid=1538540331.1565524287&ga_sid=1638099115&ga_hid=1446426566&ga_fc=1&u_tz=60&u_his=50&u_h=1080&u_w=1920&u_ah=1053&u_aw=1848&u_cd=24&adx=348&ady=4396&biw=1836&bih=909&scr_x=0&scr_y=924&eid=31063738&oid=2&psts=AGkb-H9RpzVOysJ3kqY5_0lt-tfEpoLGdnXIoJSp8dRrUIXBE1Ys4XBqFQd2MqgxiH_XcQIcbWtAXkrceg&pvsid=1291174511026628&pem=431&tmod=2134299774&ref=https%3A%2F%2Fwww.mongosukulu.com%2Findex.php%2Fcontenu%2Fgenie-electrique4%2Felectronique%2F710-le-transistor-mosfet&eae=0&fc=1408&brdim=72%2C27%2C72%2C27%2C1848%2C27%2C1848%2C1053%2C1848%2C909&vis=1&rsz=%7C%7Cs%7C&abl=NS&fu=128&bc=31&ifi=3&uci=a!3&btvi=1&fsb=1&xpc=d8c55N80O5&p=https%3A//www.mongosukulu.com&dtd=12017
Si la Grille est suffisamment positive assez d’électron sont attirés pour former une mince couche d’électron entre S et D. Ainsi un matériau du type N se forme près du SiO2. On appelle cette couche d’électron libre la couche d’inversion du type N. La tension minimale VGS qui crée la couche d’inversion du type N est appelée tension de seuil et notée VGS(th)
Si VGS<VGS(th) alors iD=0.
Pour que la Grille commande mieux le courant Drain, la couche SiO2 doit être aussi mince que possible. Par ailleurs la tension VGS ne doit pas dépasser une certaine valeur maximale appelée VGSmax sous peine de destruction. Pour cette raison, on protège certains MOS intérieurement par des Zener.

07
Cependant le type de polarisation propre au MOS à enrichissement est la polarisation à réaction de Drain.

08
Quand le MOS conduit il y’a le courant Drain ID passant.
IG
=0 ; VGS=VDS>0
avec VGS supérieur ou égale à VGS(th).
Arbitrairement la fiche technique donne la valeur de ID passant pour VGS=VGS passant. Pour un point de repos donné on choisit alors la valeur de RD RD=(VDD-VDS(passant))/ID(passant)

Application de MOS à enrichissement

Echantillonneur bloqueur:

Le MOS se comporte comme un interrupteur pouvant être monté en parallèle ou en série avec la charge. Le MOS à enrichissement convient parfaitement aux circuits de commutation parce qu’il est normalement bloqué.
Un échantillonneur bloqueur est un dispositif permettant de prélever et conserver à intervalle régulier les valeurs d’un signal appliqué à son entrée.

09
Quand Vi passe au niveau haut, le MOS conduit, C se charge jusqu’à VA avec une constante rDS,C très petite. Quand Vi est au niveau bas le MOS s’ouvre, le condensateur se décharge sur RL avec une constante de temps très grande RLC par rapport à la période de Vi conséquence V0 demeure à VA.

L’inverseur CMOS:

On le construit à l’aide des transistors PMOS ou CMOS.
Leur symbole est:

10
Leur caractéristique est:

11

Si Vi<VDD/2 alors VS=VDD
Si Vi>VDD/2 alors VS=0

Il existe aussi des portes NAND CMOS donc le symbole est le suivant:

12
D’une manière générale on réalise les CMOS dans les circuits numériques en particulier pour leur faible consommation.

Exercice d’application: Etude d’un oscillateur astable

Soit cette figure:

13
A l’instant initiale on a: US=1=VDD
Le condensateur est non chargé

Expliquons le fonctionnement du système et donnons les chronogramme de VS, U’, U.
Si VS=1=VDD alors U'<VDD/2 et U=0

14
VDD=VR+VC
VDD=R.iC+VC or iC=C.dVC/dt
VDD = RC.dVC/dt + VC
VC+RC.dVC/dt = VDD

Equation sans second membre

VC+RC.dVC/dt=0 alors dVC/VC=-1/RCdt et VC=Ae-t/RC

En régime permanant on a dVC/dt=0

VC=VDD

La solution finale est:

VC=VDD+Ae-t/RC

Condition initiale

Vi(0)=0
0=VDD+A alors A=-VDD
VC=VDD(1-e-t/RC)
Le condensateur C se charge lorsque VC atteindra la valeur VDD/2. La porte (2) va basculer et US passe à 0V, U passe à 1 et U=VDD
U’=U+VC=VDD+VDD/2=3VD/2

15
VDD=VC+VR
VDD=VC+RC.dVC/dt’
VDD=VC+Ae-t’/RC
A t’=0 VC=VDD/2
VDD=VDD/2+A et A=+VDD/2
VC=VDD-½VDD.e-t/RC
VC=VDD[1-e-t/RC/2]

16

Effet des condensateurs de couplage et de découplage

Comme dans le cas des transistors bipolaires, les condensateurs de couplage et de découplage jouent un rôle moins important dans l’analyse de JFET en régime variable. Par illustrer ce phénomène, étudions le schéma ci-dessous:

17
Supposons que seul CS est un court-circuit en petits signaux.
Le schéma équivalent est:

18

F0 et F1 sont les fréquences de coupure en basse fréquence. La fréquence de coupure est la plus grande des deux.


Les TEC en haute fréquence

19
En dehors des capacités de liaison et de découplage dans le fonctionnement en haute fréquence apparaît des capacités parasites CGD, CGS, CDS.
Le schéma équivalent de Géoconito nous donne:

20
Grâce à Miller, ce schéma équivalent devient:

21
Ce=CGS+CGD(1-A) ; CS=CDS+CGD(1-1/A)
Pour l’exemple précédent le schéma du montage en haute fréquence nous donne:

22
La fréquence de coupure est égale à la plus petite entre f1 et f2.
La bande passante est la différence entre la fréquence de coupure haute et la fréquence de coupure basse: BP=fCH-fCB

23

Exercice d’application

Soit le montage ci-dessous:

24
  1. Donnez la nature du transistor
  2. Déterminez les coordonnées du point de repos, on donne:
    Vp=-5V ; C1=0,33µF ; IDSS=6mA ; C2=1µF ;
    RG=20Méga ohm VDD=15V ; RD=RL=1K ; Ri=10K
  3. Calculez la valeur de la transconductance gm au point Q
  4. Déterminez les impédances d’entrée et de sortie du montage.
  5. Donnez le schéma équivalent en alternatif. En déduire le gain en tension v/vi et A0=v0/vgs|Rl lorsqu’il tend vers l’infini
    Déterminez l’expression de v0 lorsque vi=10Sin377t (mv)
  6. Calculez les fréquences de coupure haute et basse de cet amplificateur sachant que Cgs=5pF ; Cgd=2pF ; Cds=1pF
    En déduire la bande passante.

Correction de l’exercice:

25
  1. C’est un MOS à appauvrissement canal N
  2. Déterminons les coordonnées du point de repos:

26
VDD-RSID-VDS=0
IDQ=IDSS(1-VGS/Vp)2 ; VGS=RGIG IG=0 alors VG=0
VDS=VDD-RSID=15-1×6=9V

  1. Transconductance.
    gm=-2/VPIDSS(1-VGS/VP)
    gm = -2x6x10-3/-5 = 12/5 = 2,4ms
    gm=2,4ms
  2. Déterminons les impédances d’entrée et de sortie.

27
VGS=RGie
VGS/ie=RG alors Re=RG
Résistance de sortie.

28
V0/RD+gmVGS=iS ; RD=V0/iS alors RS=RD

  1. Calcul du gain

29
V0=-RDgmVGS
A0=V0/VGS=-RDgm=2,4
vi/(Ri+RG)=VGS/RG alors VGS=RGvi/(Ri+RG)
V0=-RD//RLgmVGS
V0=-RD//RLgmRGvi/(Ri+RG)
V0/vi=-gmRD//RL.RG/(Ri+RG)
AV=-,4×10-3.0,5.20×106/(10+20×10+3)
Donnons la valeur de V0 si vi=10Sin377t(mV)
AV=V0/vi V0=Avvi=-1,2.10Sin377t
V0=-12Sin377t(mV)

  1. Calculons les fréquences de coupure hautes et basses de cet amplificateur sachant que:
    Cgs=5pF ; Cgd=2pF ; Cds=1pF

30
fC1=0,024Hz ; fC2=79,5Hz
fC1<fC2 alors fB=fC2=79,5Hz

31
C3=CGD(1-A)=6,8pF ; Ce=C3+CGS
C4=CGD(1-1/A)=2,83pF ; Cs=CDS+C4
Ce=11,8pF ; CS=3,83pF

32
fH1=1,34MHz ; fH2=83,1MHz
fH=1,34MHz
BP=fH-fB=1,34-79,9×10-6=1,4MHz

28 novembre 2021
© GoSukulu SARL. Tous droits réservés.
Ouvrir le chat
Besoin d'aide?
Salut👋,
Comment puis-je vous aider?