Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde

Vue en coupe d'un MOSFET à canal N

L’exemple suivant prend en considération le cas d’un canal N, qui est le plus fréquent ; le canal P a un fonctionnement identique en inversant les polarisations.

Le transistor est généralement constitué d'un substrat de type P, faiblement dopé, dans lequel on diffuse par épitaxie deux zones N+ qui deviendront la source et le drain. Le silicium au-dessus du canal est oxydé (dioxyde de silicium - SiO₂) puis métallisé pour réaliser la grille, ce qui constitue une capacité entre la grille et le substrat.

En général, la source et le substrat sont reliés à la masse. Le drain est porté à un potentiel supérieur de ceux de la source et du substrat, ce qui crée un champ électrique entre la source, le substrat et le drain.

Au repos, deux cas sont possibles :

• Soit la capacité grille/substrat est flottante à vide : il n'y a quasiment pas de porteurs pour conduire un éventuel courant, les deux jonctions source-substrat et substrat-drain sont polarisées en inverse ; c'est le cas d'un MOSFET à enrichissement.

• Soit la capacité grille/substrat est en inversion, ce qui signifie que des électrons du substrat sont attirés au voisinage de l'oxyde. Ceux-ci constituent un afflux de porteurs minoritaires qui vont être disponibles pour conduire le courant entre la source et le drain. Le transistor est conducteur, le MOSFET est dit à appauvrissement.

Dans les deux cas, le courant source-drain est modulé par la tension de grille. Pour le transistor à enrichissement, il faut appliquer une tension positive à la grille pour amener la capacité grille-substrat en inversion : le transistor conduit à partir d'un certain seuil. Pour le transistor à appauvrissement (déplétion), le canal conduit lorsque la grille est à la masse, il faut donc l'amener à une tension négative pour faire cesser la conduction.

Lorsque le transistor conduit, une augmentation de la polarisation entre le drain et la source augmente le courant (non linéairement). À partir d'une tension de drain supérieure à la tension de grille moins la tension de seuil, le champ électrostatique entre le substrat et la grille s'inverse localement au voisinage du drain. Les électrons disparaissent à cet endroit, le courant sature. Toute augmentation de la tension de drain au-delà de la tension de saturation conduit à une disparition encore plus importante des électrons, et à une faible augmentation (voire nulle) du courant.

À tension source-drain constante, le courant de saturation varie comme le carré de la tension grille-substrat.

La tension de seuil est définie comme étant la tension ${\displaystyle V_{GS}}$ entre la grille et la source pour laquelle la zone d'inversion apparait, c'est-à-dire la création du canal de conduction entre le drain et la source. Cette tension se note ${\displaystyle V_{TH}}$ (ou ${\displaystyle V_{GS(th)}}$), TH étant l'abréviation de threshold en anglais (seuil). Lorsque la tension grille-source ${\displaystyle V_{GS}}$ est inférieure à la tension de seuil ${\displaystyle V_{TH}}$, on dit que le transistor est bloqué, il ne conduit pas. Dans le cas contraire, on dit qu'il est passant, il conduit le courant entre le drain et la source.

${\displaystyle I_{DS}={\beta }\left(V_{GS}-V_{TH}-{\frac {1}{2}}V_{DS}\right)V_{DS}}$

${\displaystyle {\beta }={\frac {W}{L}}{\mu }C_{ox}}$

W  : largeur du canal
L : longueur du canal
${\displaystyle \mu }$ : mobilité des porteurs de charge (mobilité des électrons dans le cas d'un MOSFET à canal N)
${\displaystyle C_{ox}}$ : capacité d'oxyde de grille

${\displaystyle I_{DS_{SAT}}={\frac {1}{2}}{\beta }\left(V_{GS}-V_{TH}\right)^{2}}$

${\displaystyle I_{DS}=I_{DS_{SAT}}{\frac {L}{L-{\lambda }}}}$

${\displaystyle \lambda ={\lambda }_{0}{\text{ln}}\left(1+{\frac {V_{DS}-V_{DS_{SAT}}}{V_{DS_{SAT}}}}\right)}$

${\displaystyle {\lambda }_{0}={\sqrt {{\frac {{\epsilon }_{si}}{{\epsilon }_{ox}}}x_{j}T_{ox}}}}$

${\displaystyle {\epsilon }_{si}}$ : permittivité du silicium
${\displaystyle {\epsilon }_{ox}}$ : permittivité de l'oxyde de grille
${\displaystyle x_{j}}$ : profondeur de jonction
${\displaystyle T_{ox}}$ : épaisseur de l'oxyde de grille

Une analogie très utile pour comprendre facilement le fonctionnement d'un FET, sans utiliser des concepts d'électrostatique, est de le comparer à un robinet d'eau. La grille est la commande analogue au pas de vis du robinet qui contrôle le débit d'eau (courant). Après un quart de tour, il se peut que seul un faible filet d'eau coule. Puis, le courant augmente rapidement avec une faible rotation. Enfin, malgré des tours dans le vide, le courant n'augmente plus, il sature. Enfin, si on veut augmenter le débit du robinet, il faut augmenter la pression de l'eau (différence de potentiel grille-substrat).