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Région de blocage vs région linéaire vs région de saturation du MOSFET : conditions, équations du courant et usages

Un MOSFET fonctionne dans l’une de trois régions, fixées par la tension grille-source VGS et la tension drain-source VDS. Dans la région de blocage, VGS est inférieure à la tension de seuil Vth, aucun canal ne se forme et presque aucun courant ne circule. Dans la région linéaire (triode), le canal s’étend de la source au drain et le transistor se comporte comme une résistance dont la valeur est fixée par la tension de grille. Dans la région de saturation, le canal est pincé côté drain (pincement), si bien que le courant est fixé par VGS et dépend à peine de VDS ; c’est la région des amplificateurs et des sources de courant. Attention : la « saturation » d’un transistor bipolaire est un état différent, l’état fermé d’un interrupteur, si bien que le même mot désigne des choses différentes.

CritèreRégion de blocageRégion linéaire (triode)Région de saturation
Condition (nMOS)VGS < VthVGS > Vth et VDS < VGS − VthVGS > Vth et VDS ≥ VGS − Vth
État du canalPas de couche d’inversion (inversion faible seulement)La couche d’inversion s’étend de la source au drainLa couche d’inversion disparaît côté drain (pincement)
Courant de drain (canal long)ID ≈ 0 ; en réalité, le courant sous le seuil croît exponentiellement avec VGSID = μCox(W/L)[(VGS − Vth)VDS − VDS²/2]ID = (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)², multiplié par (1 + λVDS) avec la modulation de longueur de canal
Comportement du courantBloqué. La limite inférieure théorique de la pente sous le seuil est d’environ 60 mV/décade à température ambiantePour un faible VDS, ID est presque proportionnel à VDS ; la pente diminue quand VDS augmenteID dépend à peine de VDS et est proportionnel au carré de (VGS − Vth)
Modèle petit signalPresque un circuit ouvertPour un faible VDS, une résistance à l’état passant Ron ≈ 1/[μCox(W/L)(VGS − Vth)]Une source de courant commandée en tension, de transconductance gm = 2ID/(VGS − Vth) et de résistance de sortie ro ≈ 1/(λID)
Exemple chiffré (μCox(W/L) = 2 mA/V², Vth = 0,5 V)À VGS = 0,3 V, le transistor est bloqué (ID = 0 selon l’équation)À VGS = 1,0 V et VDS = 0,1 V, ID = 90 µA. La résistance à l’état passant près de VDS = 0 vaut environ 1 kΩÀ VGS = 1,0 V et VDS ≥ 0,5 V, ID = 250 µA (avec λ = 0) et gm = 1 mS
Usages typiquesUn interrupteur à l’état ouvert ; le transistor bloqué d’une porte numériqueUn interrupteur à l’état fermé (le transistor passant d’une porte numérique, les interrupteurs analogiques, un MOSFET de puissance conducteur), une résistance variableAmplificateurs, sources de courant, miroirs de courant
Région équivalente du BJTRégion de blocage (même nom)Région de saturation (interrupteur fermé)Région active directe (utilisée pour l’amplification)
Différences en canal courtLe DIBL abaisse la tension de seuil et augmente le courant à l’état bloquéLa dégradation de la mobilité et les résistances parasites rendent le courant plus faible que ne le prédit l’équationLa saturation de vitesse fait saturer le courant à un VDS plus faible, et la dépendance en (VGS − Vth) tend vers le premier ordre

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 ?

Région de blocage
La région pour bloquer le transistor. Le transistor bloqué d’une porte numérique s’y trouve, et seules des fuites comme le courant sous le seuil circulent. Abaisser la tension de seuil accélère les circuits mais augmente exponentiellement le courant à l’état bloqué : c’est un compromis avec la consommation en veille.
Région linéaire (triode)
L’état passant d’un transistor utilisé comme interrupteur. Plus VDS est faible, plus il se comporte comme une résistance, et la résistance à l’état passant diminue quand la tension de grille augmente. Le transistor passant d’une sortie CMOS une fois celle-ci stabilisée, les interrupteurs analogiques et un MOSFET de puissance conducteur dans une alimentation fonctionnent ici.
Région de saturation
La région des amplificateurs et des sources de courant. Le courant dépend à peine de VDS : la résistance de sortie est donc élevée et un gain en tension important est possible. Dans un amplificateur, le point de polarisation est choisi pour que VDS ne descende jamais sous VGS − Vth (la tension d’overdrive), ce qui fixe la limite basse de l’excursion de sortie.

Questions fréquentes

La saturation a-t-elle le même sens pour un MOSFET et un BJT ?

Non. Dans un MOSFET, la région de saturation est celle où le canal est pincé côté drain et où le courant de drain sature (reste presque constant) avec VDS ; elle sert à l’amplification. Dans un transistor bipolaire, la région de saturation est l’état où les deux jonctions sont polarisées en direct et où VCE tombe à environ 0,1 à 0,3 V, l’état fermé d’un interrupteur. Par fonction, la saturation du MOSFET correspond à la région active directe du BJT, et la saturation du BJT à la région linéaire du MOSFET.

Où se trouve la frontière entre région linéaire et région de saturation ?

À VDS = VGS − Vth. En ce point, la tension grille-canal côté drain vaut Vth et le canal est pincé. Dans les équations du canal long, remplacer VDS par VGS − Vth dans l’équation de la région linéaire donne l’équation de saturation (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)² : le courant est donc continu à la frontière.

Dans quelle région fonctionnent les transistors des circuits numériques ?

En régime établi, le transistor passant est en région linéaire (VDS proche de 0) et le transistor bloqué en région de blocage. Pendant une transition, le transistor qui devient passant part d’un VDS élevé : il charge ou décharge la capacité de charge en saturation, puis passe en région linéaire à mesure que la sortie évolue. C’est pourquoi le délai de porte est fixé principalement par le courant de saturation (courant de commande).

Comment les conditions changent-elles pour un pMOS ?

Tous les sens de tension et de courant sont inversés. Avec la tension de grille rapportée à la source VSG, la tension VSD et la valeur absolue du seuil |Vth|, les conditions prennent la même forme que pour un nMOS : blocage pour VSG < |Vth|, région linéaire pour VSG > |Vth| et VSD < VSG − |Vth|, saturation pour VSD ≥ VSG − |Vth|. Les équations du courant ont la même forme, avec la mobilité des trous.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la condition pour qu’un nMOSFET à canal long fonctionne en régime de saturation ? (on suppose VGS > Vth)

  1. AVDS = 0
  2. BVDS < VGS − Vth
  3. CVDS ≥ VGS − Vth
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Réponse : C. VDS ≥ VGS − Vth

Lorsque VGS > Vth et qu’un canal existe, dès que VDS ≥ VGS − Vth, la tension grille-canal à l’extrémité drain passe sous Vth, le canal est pincé et le courant de drain devient pratiquement indépendant de VDS. C’est le régime de saturation. Les amplificateurs fonctionnent dans ce régime, et la VDS minimale nécessaire (= VGS − Vth) fixe la limite basse de l’excursion de sortie. En canal court, la saturation de vitesse fait saturer le courant à une VDS plus faible.

Lorsqu’un MOSFET à canal long fonctionne en régime de saturation, à quoi le courant de drain ID est-il approximativement proportionnel ? (VGS : tension grille-source, Vth : tension de seuil)

  1. AAu carré de (VGS − Vth)
  2. BÀ VGS − Vth
  3. CÀ l’inverse de VGS
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Réponse : A. Au carré de (VGS − Vth)

En régime de saturation d’un MOSFET à canal long, ID = (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)² : le courant de drain est proportionnel au carré de (VGS − Vth) (loi quadratique). VGS − Vth est appelée tension d’overdrive et constitue un paramètre fondamental de la conception analogique. En canal court, la saturation de vitesse rapproche la dépendance d’une loi linéaire, et la dégradation de mobilité ainsi que les résistances parasites entraînent d’autres écarts ; la conception réelle utilise donc des modèles précis comme BSIM.

Quel est le comportement d’un MOSFET en régime linéaire, lorsque la tension drain-source VDS est suffisamment faible ?

  1. AIl se comporte comme une résistance variable dont la valeur dépend de la tension de grille
  2. BIl se comporte comme une source de courant constant, indépendante de VDS
  3. CIl se comporte comme une diode ne conduisant que dans un sens
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Réponse : A. Il se comporte comme une résistance variable dont la valeur dépend de la tension de grille

En régime linéaire, le courant de drain est quasiment proportionnel à VDS, et la pente (conductance) μCox(W/L)(VGS − Vth) varie avec la tension de grille ; le transistor se comporte donc comme une résistance variable commandée par la grille. L’état passant d’un interrupteur correspond à ce régime, et la résistance à l’état passant diminue lorsque la tension de grille augmente. Cette propriété sert aussi dans les commutateurs analogiques et les circuits à gain variable. Lorsque VDS dépasse VGS − Vth, on passe en régime de saturation.

  1. Comment s’appelle le phénomène par lequel, dans un MOSFET en saturation, l’augmentation de la tension de drain raccourcit la longueur effective du canal et augmente légèrement le courant de drain ?
  2. Quelle est la définition de la transconductance gm d’un MOSFET ?
  3. Lorsqu'un transistor bipolaire est utilisé comme interrupteur, quel régime de fonctionnement correspond à l'état passant ?

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.
Région de saturation
État d'un transistor bipolaire où les jonctions base-émetteur et base-collecteur sont toutes deux polarisées en direct. La tension collecteur-émetteur tombe à environ 0,1 à 0,3 V, ce qui correspond à un interrupteur fermé.
Région de blocage
État d'un transistor bipolaire dont les deux jonctions sont polarisées en inverse et où le courant de collecteur est quasi nul. Correspond à l'état ouvert d'un interrupteur.
Région active
État où la jonction base-émetteur est polarisée en direct et la jonction base-collecteur en inverse. Un courant de collecteur proportionnel au courant de base circule ; utilisé pour l'amplification.
Modulation de longueur de canal
Phénomène dans un MOSFET en saturation : en augmentant la tension de drain, le point de pincement se déplace vers la source, la longueur de canal effective diminue et le courant de drain augmente légèrement. Il rend la résistance de sortie finie.
Saturation de vitesse
Phénomène par lequel, sous un champ électrique intense, la vitesse de dérive des porteurs cesse d'être proportionnelle au champ et plafonne vers 1×10⁷ cm/s. Dans les MOSFET à canal court, le courant de drain devient inférieur à la loi quadratique.
Transconductance
Rapport entre la variation du courant de drain et celle de la tension de grille, noté gm. Elle traduit la capacité d'amplification du transistor ; le gain d'un amplificateur est environ le produit de gm par la résistance de charge.
Pente sous le seuil (subthreshold swing)
Tension de grille nécessaire pour faire varier le courant de drain d'un facteur 10 sous la tension de seuil. La limite théorique à température ambiante est d'environ 60 mV/décade ; plus elle est faible, plus la commutation est franche.

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