Comment sélectionner un MOSFET pour des circuits logiques ou une conception de grille

Les transistors à effet de champ de type MOS (métal-oxyde-semiconducteur), ou MOSFET, sont des semi-conducteurs de choix pour les applications courantes de commutation commandées en tension, à fort courant et haute tension. Ils sont devenus beaucoup plus populaires que leur prédécesseur commandé en courant, le BJT (transistor bipolaire à jonctions). À l'autre extrémité du spectre de commutation, les MOSFET de niveau logique prédominent dans la construction des processeurs et d'autres dispositifs à petits signaux, en grande partie en raison de leur rendement supérieur et de leur capacité de commutation haute vitesse.

Le fonctionnement interne du MOSFET se démarque nettement de celui du BJT en termes de configuration, mais utilise toujours des jonctions N et P avec des canaux d'enrichissement ou d'appauvrissement où se produit la conductivité. Pour obtenir des explications sur la construction et le fonctionnement des MOSFET en général, consultez l'article eewiki de Digi-Key Electronics.

Il existe de nombreux projets de carte à circuit imprimé ou de montage d'essai de microcontrôleurs qui spécifient une logique TTL utilisant des transistors BJT tels que les populaires 2N3904 (NPN) ou 2N3906 (PNP). En effet, ils fonctionnent correctement avec ou sans prépolarisation de base, mais ils sont moins efficaces et, dans certains cas, ils offrent un temps de réponse plus lent que leurs équivalents CMOS.

Que l'on utilise une logique de 3,3 V ou de 5 V, il existe des valeurs seuils entre ces tensions et la terre qui déterminent ce qui est un niveau logique haut ou un niveau logique bas. Il est également nécessaire de disposer d'une plage de tensions entre le niveau haut et le niveau bas pour servir de tampon, souvent appelée région « illégale », afin de garantir que le point de basculement entre un niveau haut solide et un niveau bas solide ne soit pas trop brusque, ce qui pourrait entraîner un résultat imprévisible (Figure 1).

Paramètres à prendre en compte lors de la sélection d'un MOSFET à canal N de niveau logique

Tension de seuil grille-source - Vgs(th)(min.) et Vgs(th)(max.) : une tension de grille égale ou inférieure à la valeur de seuil minimum désactive le MOSFET. Les tensions de grille minimum courantes pour la logique 5 V peuvent se situer entre 0,5 V et 1 V. Les tensions de grille supérieures à la valeur de seuil maximum activent le MOSFET. Des tensions de seuil de grille comprises entre les valeurs minimum et maximum peuvent activer ou désactiver le MOSFET et doivent être évitées. Remarquez comment les valeurs minimum et maximum coïncident approximativement avec la région illégale dans la Figure 1.

Figure 1

Résistance à l'état passant drain-source - Rds(on) : à la mise sous tension, il se crée une résistance entre le drain et la source qui diminue à mesure que la tension grille-source ou Vgs augmente. Choisissez un MOSFET dont les valeurs Rds(on) les plus basses se produisent à la valeur de tension logique haute idéale ou proche de cette valeur, et ne diminuent pas de manière significative avec des valeurs Vgs plus élevées. Voir la Figure 2.

Figure 2

Exemple : d'après sa fiche technique, un MOSFET IRLZ44 d'Infineon présente une résistance drain-source de 25 mΩ à 5 V, de 35 mΩ à 4 V et de 22 mΩ à 10 V. À 5 V, sa valeur Rds(on) n'est supérieure que de 3 mΩ à la valeur à 10 V, mais inférieure de 10 mΩ à la valeur Rds(on) à 4 V, ce qui en fait un bon choix par rapport à Rds(on).

Figure 3

Capacités d'entrée – Ciss : la combinaison de la grille, de la couche d'oxyde et de la connexion du corps d'un MOSFET agit comme un petit condensateur qui commence à se charger lorsqu'une tension est présente au niveau de la grille. Il faut du temps pour effectuer la charge, ce qui entraîne un délai à l'état passant. Choisissez un MOSFET avec la plus faible capacité d'entrée possible pour éviter de longs délais et pour minimiser le courant d'appel qui peut être très élevé au départ, mais qui diminue à mesure que le condensateur se charge. Idéalement, le délai à l'état passant est extrêmement court, mais il peut créer une surtension suffisante pour endommager une broche E/S qui a une capacité d'alimentation en courant limitée.

Une résistance de protection entre la broche et la grille empêche une consommation de courant excessive de la broche E/S.

Si vous utilisez un MOSFET connecté directement à la broche de sortie d'un microcontrôleur, la grille du MOSFET doit être définie à l'état haut ou à l'état bas selon les besoins à l'aide d'une résistance externe afin d'éviter une logique de grille flottante et une sortie indésirable du MOSFET pendant les démarrages et les réinitialisations du microcontrôleur.

Les paramètres ci-dessus constituent un point de départ de base pour la sélection d'un MOSFET pour des circuits logiques ou des conceptions de grille ; ils peuvent être ajustés en tenant compte de la dissipation de chaleur et d'autres paramètres de performances. N'hésitez pas à essayer des MOSFET dans votre prochain projet.