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:

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.

La région P appelée substrat peut réduire le chemin de conduction en rendant le canal étroit. Une mince couche de dioxyde de silicium S_iO₂ est disposée sur le côté gauche de fonctionnement selon la polarité de la grille.

Régime d'appauvrissement:

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:

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:
I_D=ƒ(V_DS)|_VGS=cste

V_GS blocage < V_GS < 0 : Régime d'appauvrissement.
V_GS >0 : Régime d'enrichissement.

Caractéristiques des transconductances I_D=f(V_DS)

 

On a toujours I_D=I_DSS(1-V_GS/V_P)² avec V_GS<0 ; V_GS>0
Lorsque V_GS=0 ; I_D=I_DSS

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 V_GS=0. On utilise alors un circuit de polarisation.

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.

 

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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.

Fonctionnement

Lorsque V_GS=0 la source V_DD 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 V_GS>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.
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 S_iO₂. On appelle cette couche d'électron libre la couche d'inversion du type N. La tension minimale V_GS qui crée la couche d'inversion du type N est appelée tension de seuil et notée V_GS(th)
Si V_GS<V_GS(th) alors i_D=0.
Pour que la Grille commande mieux le courant Drain, la couche S_iO₂ doit être aussi mince que possible. Par ailleurs la tension V_GS ne doit pas dépasser une certaine valeur maximale appelée V_GSmax sous peine de destruction. Pour cette raison, on protège certains MOS intérieurement par des Zener.

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

Quand le MOS conduit il y'a le courant Drain I_{D passant.
IG}=0 ; V_GS=V_DS>0
avec V_GS supérieur ou égale à V_GS(th).
Arbitrairement la fiche technique donne la valeur de I_D passant pour V_GS=V_GS passant. Pour un point de repos donné on choisit alors la valeur de R_D R_D=(V_DD-V_DS(passant))/I_D(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.

Quand V_i passe au niveau haut, le MOS conduit, C se charge jusqu'à V_A avec une constante r_DS, C très petite. Quand V_i est au niveau bas le MOS s'ouvre, le condensateur se décharge sur R_L avec une constante de temps très grande R_LC par rapport à la période de V_i conséquence V₀ demeure à VA.

L'inverseur CMOS:

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

Leur caractéristique est:

Si V_i<V_DD/2 alors V_S=V_DD
Si V_i>V_DD/2 alors V_S=0
Il existe aussi des portes NAND CMOS donc le symbole est le suivant:

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:

A l'instant initiale on a: U_S=1=V_DD
Le condensateur est non chargé

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

V_DD=V_R+V_C
V_DD=R.i_C+V_C or i_C=C.dV_C/dt
V_DD = RC.dV_C/dt + V_C
V_C+RC.dV_C/dt = V_DD

Equation sans second membre

V_C+RC.dV_C/dt=0 alors dV_C/V_C=-1/R_Cdt et V_C=Ae^-t/RC

En régime permanant on a dV_C/dt=0

V_C=V_DD

La solution finale est:

V_C=V_DD+Ae^-t/RC

Condition initiale

V_i(0)=0
0=V_DD+A alors A=-V_DD
V_C=V_DD(1-e^-t/RC)
Le condensateur C se charge lorsque V_C atteindra la valeur V_DD/2. La porte (2) va basculer et U_S passe à 0V, U passe à 1 et U=V_DD
U'=U+V_C=V_DD+V_DD/2=3V_D/2

V_DD=V_C+V_R
V_DD=V_C+RC.dV_C/dt'
V_DD=V_C+Ae^-t'/RC
A t'=0 V_C=V_DD/2
V_DD=V_DD/2+A et A=+V_DD/2
V_C=V_DD-½V_DD.e^-t/RC
V_C=V_DD[1-e^-t/RC/2]

 

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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:

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

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

 

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Les TEC en haute fréquence

En dehors des capacités de liaison et de découplage dans le fonctionnement en haute fréquence apparaît des capacités parasites C_GD, C_GS, C_DS.
Le schéma équivalent de Géoconito nous donne:

Grâce à Miller, ce schéma équivalent devient:

C_e=C_GS+C_GD(1-A) ; C_S=C_DS+C_GD(1-1/A)
Pour l'exemple précédent le schéma du montage en haute fréquence nous donne:

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=f_CH-f_CB

 

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Exercice d'application

Soit le montage ci-dessous:

Correction de l'exercice:

V_DD-R_SI_D-V_DS=0
I_DQ=I_DSS(1-V_GS/V_p)² ; V_GS=R_GI_G I_G=0 alors V_G=0
V_DS=V_DD-R_SI_D=15-1x6=9V

V_GS=R_Gi_e
V_GS/i_e=R_G alors R_e=R_G
Résistance de sortie.

V₀/R_D+g_mV_GS=i_S ; R_D=V₀/i_S alors R_S=R_D

V₀=-R_Dg_mV_GS
A₀=V₀/V_GS=-R_Dg_m=2,4
v_i/(R_i+R_G)=V_GS/R_G alors V_GS=R_Gv_i/(R_i+R_G)
V₀=-R_D//R_Lg_mV_GS
V₀=-R_D//R_Lg_mR_Gv_i/(R_i+R_G)
V₀/v_i=-g_mR_D//R_L.R_G/(R_i+R_G)
A_V=-,4x10^-3.0,5.20x10⁶/(10+20x10⁺³)
Donnons la valeur de V₀ si v_i=10Sin377t(mV)
A_V=V₀/v_i V₀=A_vv_i=-1,2.10Sin377t
V₀=-12Sin377t(mV)

f_C1=0,024Hz ; f_C2=79,5Hz
f_C1<f_C2 alors f_B=f_C2=79,5Hz

C₃=C_GD(1-A)=6,8pF ; C_e=C₃+C_GS
C₄=C_GD(1-1/A)=2,83pF ; C_s=C_DS+C₄
C_e=11,8pF ; C_S=3,83pF

f_H1=1,34MHz ; f_H2=83,1MHz
f_H=1,34MHz
BP=f_H-f_B=1,34-79,9x10^-6=1,4MHz