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MOSFET à enrichissement vs à appauvrissement : Vth et usages

Un MOSFET à enrichissement n'a pas de canal lorsque la tension de grille est de 0 V ; le courant ne circule qu'une fois qu'une tension appliquée à la grille a créé une couche d'inversion (normalement bloqué, normally-off). Un MOSFET à appauvrissement possède déjà un canal : le courant circule même avec la grille à 0 V, et il ne s'arrête que lorsqu'une tension de sens opposé appliquée à la grille fait disparaître le canal (normalement passant, normally-on). En canal n, la tension de seuil est positive pour le type à enrichissement et négative pour le type à appauvrissement. Le type à enrichissement est utilisé dans presque toutes les applications, à commencer par la logique CMOS.

CritèreType à enrichissementType à appauvrissement
Grille à 0 VPas de canal, bloqué (normally-off)Canal présent, passant (normally-on)
Signe de la tension de seuil (canal n)PositifNégatif
Signe de la tension de seuil (canal p)NégatifPositif
Formation du canalLa tension de grille induit une couche d'inversion à la surface du substratUne fine couche de canal est créée à l'avance en surface, notamment par implantation ionique
Blocage du courant (canal n)Abaisser la tension de grille sous le seuil (0 V suffit)Appliquer une tension négative à la grille pour déserter le canal
Origine du nomLa tension de grille enrichit le canal (enhance)La tension de grille appauvrit le canal (deplete)
SymboleLigne de canal en pointillés, coupée en troisLigne de canal en un seul trait continu
En cas d'arrêt du circuit de commandeSe bloque, donc sûrPeut devenir passant ; attention aux courts-circuits, etc.
Usages principauxPresque tous : logique CMOS, MOSFET de puissance, circuits analogiques, etc.Éléments de charge des premières logiques NMOS, sources de courant constant, circuits de démarrage d'alimentation, etc.

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Type à enrichissement
Dans presque tous les cas. Une grille à 0 V le bloque de façon sûre, d'où son emploi comme interrupteur dans les circuits logiques et comme interrupteur de puissance devant pouvoir être bloqué en toute sécurité.
Type à appauvrissement
Lorsqu'on veut faire passer un courant sans tension de grille : élément de charge remplaçant une résistance, source de courant constant simple avec grille et source reliées, circuit de démarrage fonctionnant avant que l'alimentation ne s'établisse, etc.
Avec des composants normally-on
Les composants intrinsèquement normally-on, comme les HEMT GaN, sont utilisés en normally-off grâce à une structure de grille adaptée ou à un montage cascode en série avec un MOSFET silicium basse tension.

Questions fréquentes

Pourquoi exige-t-on le normally-off dans les applications de puissance ?

Parce qu'un composant normally-on devient passant si l'alimentation du circuit de commande de grille disparaît ou si celui-ci tombe en panne, avec le risque de court-circuiter l'alimentation et de faire circuler un courant important. Un type à enrichissement est sûr, car il est bloqué avec la grille à 0 V.

Dans quels circuits le type à appauvrissement a-t-il été utilisé ?

Dans la logique NMOS d'avant la généralisation du CMOS, un type à appauvrissement avec grille et source reliées servait d'élément de charge à la place d'une résistance. Il est encore utilisé aujourd'hui dans des sources de courant constant simples et des circuits de démarrage d'alimentation.

Comment les distinguer sur le symbole ?

Par la ligne qui représente le canal. Pour le type à enrichissement, elle est dessinée en pointillés coupés en trois, pour indiquer qu'il n'y a pas de canal sans tension de grille. Pour le type à appauvrissement, le canal existe dès le départ et l'on trace un seul trait continu.

Peut-on les distinguer par la valeur de la tension de seuil ?

Oui. En canal n, une tension de seuil positive indique un type à enrichissement et une tension négative un type à appauvrissement. En canal p, le signe est inversé : négative pour l'enrichissement, positive pour l'appauvrissement.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la caractéristique d’un MOSFET à appauvrissement ?

  1. AIl n’a pas de grille
  2. BUn canal existe et un courant circule même à une tension de grille de 0 V
  3. CAucun courant ne circule même pour une tension de grille supérieure à la tension de seuil
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Réponse : B. Un canal existe et un courant circule même à une tension de grille de 0 V

Le MOSFET à appauvrissement possède un canal préformé et conduit même à une tension de grille de 0 V (normalement passant). Pour un canal n, une tension de grille négative supprime le canal et coupe le courant. Il servait d’élément de charge dans les premières logiques NMOS. Comme il conduit même lorsque l’alimentation est coupée, il demande des précautions de sûreté ; les HEMT GaN sont aussi intrinsèquement normalement passants, et des structures particulières sont conçues pour les rendre normalement bloqués.

Quelle est la condition de mise en conduction d’un MOSFET à canal n à enrichissement ? (VGS : tension grille-source, Vth : tension de seuil)

  1. AVGS vaut 0 V
  2. BVGS est supérieure à Vth
  3. CVGS est une tension négative
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Réponse : B. VGS est supérieure à Vth

Dans un nMOSFET à enrichissement, une tension positive supérieure à Vth appliquée à la grille attire des électrons à la surface du substrat de type p et forme une couche d’inversion (canal), ce qui permet le passage du courant entre source et drain. À VGS = 0 V, il n’y a pas de canal et le transistor est bloqué ; même grille flottante, le courant passe difficilement (normalement bloqué), ce qui convient à la sûreté des circuits logiques et des applications de puissance. Vth vaut typiquement 0.2 à 0.4 V en logique avancée et 1 à 4 V environ en puissance.

Quel est le signe de la tension de seuil (référencée à la source) d’un MOSFET à canal p à enrichissement ?

  1. APositif
  2. BNégatif
  3. CToujours 0 V
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Réponse : B. Négatif

Dans un pMOS, une tension de grille inférieure à celle de la source forme une couche d’inversion de trous à la surface du substrat de type n (caisson n), et le transistor devient passant. La tension de seuil d’un pMOS à enrichissement est donc négative (par exemple −0.4 V). En circuit, on considère que la source est reliée à l’alimentation VDD et que le transistor devient passant lorsque la grille est inférieure à VDD d’au moins |Vth|. Dans les documents de conception, on compare souvent les valeurs absolues |Vth| pour éviter les confusions de signe.

  1. Pourquoi exige-t-on principalement d'un composant de puissance la caractéristique « normalement bloqué », c'est-à-dire qu'aucun courant ne circule pour une tension de grille de 0 V ?
  2. Quelle configuration associe en série un HEMT GaN normalement passant et un MOSFET silicium basse tension afin de l'utiliser en toute sécurité en fonctionnement normalement bloqué ?

Questions d'entraînement sur MOSFET

Termes clés expliqués

Tension de seuil
Tension de grille à laquelle un canal (couche d'inversion) se forme dans un MOSFET et le courant commence à circuler. Notée Vth.
Normalement bloqué (normally-off)
Caractéristique d'un composant qui ne conduit pas lorsque la tension de grille est de 0 V. Le courant ne continue pas de circuler en cas de panne du circuit de commande, ce qui est exigé pour la sécurité des composants de puissance.
Couche d'inversion
Couche formée à la surface du semi-conducteur par la tension de grille, où s'accumulent des porteurs de type opposé au type d'origine. Elle constitue le canal du MOSFET.

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