nMOSFET

Un nMOSFET est un interrupteur semi-conducteur construit sur un canal conducteur de type n (riche en électrons) enfoui entre les bornes de source et de drain. Lorsque vous appliquez une tension positive à la borne de grille par rapport à la source, cette tension attire les électrons vers le canal, créant un chemin conducteur. Coupez la tension de grille et le canal s'appauvrit, bloquant le flux de courant. Ce comportement fait du nMOSFET un interrupteur électronique rapide et efficace utilisé dans les alimentations électriques, les entraînements de moteur et les circuits logiques numériques.

Le dispositif se compose d'un substrat de silicium avec une fine couche de dioxyde de silicium (l'oxyde) posée dessus, puis une électrode de grille métallique ou en polysilicium par-dessus. La source et le drain sont des régions de type n fortement dopées, tandis que le corps ou le substrat est du silicium de type p. Lorsque la tension de grille dépasse la tension de seuil, généralement entre 0,5 et 2 volts selon le dispositif, les électrons s'accumulent sous la grille et conduisent entre la source et le drain. Ce comportement de seuil explique pourquoi le contrôle de la grille est fiable et reproductible.

Pertes de puissance et de commutation

En électronique de puissance, les nMOSFET sont préférés aux pMOSFET car ils ont une résistance à l'état passant plus faible (généralement des dizaines de milliohms pour les dispositifs modernes) et des vitesses de commutation plus rapides. Cependant, ils dissipent de la chaleur à la fois à l'état passant (perte résistive due au courant drain-source circulant à travers la résistance à l'état passant) et pendant les transitions de commutation (pertes capacitives lorsque la tension de grille augmente). La diode de corps intrinsèque d'un nMOSFET conduit le courant inverse si le drain devient négatif par rapport à la source, ce qui peut provoquer des courants de court-circuit dans les topologies en demi-pont si la commande de grille n'est pas soigneusement synchronisée.

Les nMOSFET pratiques sont disponibles en boîtiers discrets (TO-220, D2PAK) et sous forme de réseaux sur des circuits intégrés. Les dispositifs de puissance modernes utilisent une géométrie de tranchée, où l'oxyde de grille tapisse les parois d'une tranchée verticale profonde creusée dans le silicium, augmentant la largeur du canal et réduisant la résistance à l'état passant. La combinaison parallèle de nombreuses petites cellules (parfois des millions sur une seule puce) détermine la capacité de courant globale. Les fabricants spécifient la tension drain-source maximale, les courants nominaux continus et pulsés, et la résistance thermique de la jonction au boîtier.

Les nMOSFET dominent dans les convertisseurs DC-DC, les onduleurs pour les énergies renouvelables et les alimentations à découpage car ils tolèrent des fréquences de commutation rapides (jusqu'à des centaines de kilohertz) sans pertes excessives. Ils constituent également la base de la logique numérique CMOS, où des paires de nMOSFET et de pMOSFET fonctionnent comme des portes complémentaires. Le terme canal n fait référence au type de porteur de charge: les électrons, qui sont plus rapides que les trous qui conduisent dans les pMOSFET, expliquant pourquoi les nMOSFET atteignent la conduction plus rapidement et commutent à une vitesse plus élevée.