MOSFET / IGBT

MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconducteur Field-Effet Transistor) et les IGBTs (Insulated-Ga mangé Bipolaire Transistor) sont des transistors de puissance utilisés pour contrôler la sortie de nombreux servomoteurs. Les deux transistors de puissance sont des dispositifs semi-conducteurs de puissance à trois bornes qui sont utilisés pour commuter et amplifier les signaux électroniques.

MOSFET

Le MOSFET est un transistor à effet de champ composé de trois éléments : une source, un drain et une grille. Le MOSFET fonctionne en faisant varier la largeur d'un canal entre les nœuds de source et de drain le long duquel circulent les porteurs de charge. La tension appliquée aux bornes de la grille contrôle la taille du canal qui détermine le flux de courant dans le drain. Les MOSFET ne comportent que deux couches de substrat de type P et N, ce qui réduit leur capacité de tension par rapport aux IGBT, mais leur permet d'atteindre des vitesses de commutation plus élevées. Les MOSFET plus récents sont capables de gérer des tensions beaucoup plus élevées, mais cela s'accompagne d'une augmentation de la taille et du coût. Les MOSFET sont couramment utilisés dans l'électronique automobile et la robotique en raison de leur vitesse de commutation rapide. Les MOSFET peuvent également être utilisés pour de nombreuses applications industrielles en fonction de la tension et des conditions de commutation.

IGBT

L'IGBT est un transistor bipolaire, également constitué de trois composants : un émetteur, un collecteur et une grille. Les IGBT ont les capacités d'entrée à courant élevé et à faible tension de saturation des transistors bipolaires avec les caractéristiques de sortie des MOSFET. Contrairement aux MOSFET, les IGBT sont contrôlés en courant, produisant un champ magnétique plutôt qu'un champ électrique et un courant dominant de porteurs minoritaires. Les IGBT ont plusieurs couches de substrat P et N qui leur donnent l'avantage de gérer des tensions élevées par rapport aux MOSFET. Ces couches supplémentaires présentent l'inconvénient d'une vitesse de commutation plus faible. Toutefois, les innovations dans la technologie des IGBT ont permis à ces transistors d'avoir des vitesses de commutation comparables à celles des MOSFET. Les IGBT sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles et automobiles et sont généralement préférés pour les appareils ménagers tels que les climatiseurs et les réfrigérateurs. Comme pour les MOSFET, les applications spécifiques des IGBT dépendent de la tension et des conditions de commutation.

Comparaison entre MOSFET et IGBT

MOSFET IGBT
Similitudes de construction Composé de substrats de type P et N pour permettre et contrôler le flux de courant.
Différences de construction Deux couches de substrat de type P et N contribuent à une fréquence de commutation élevée et contiennent une diode à drain de corps. Les couches multiples de substrat P et N confèrent à l'IGBT une conductivité élevée, sans diode de drain de corps.
Contrôle Les dispositifs à porteurs majoritaires commandés par la tension produisent un champ électrique. Les dispositifs à porteurs minoritaires contrôlés par le courant, produisent un champ magnétique
Utilisations Ils peuvent être utilisés dans des variateurs numériques et analogiques, et sont tous deux utilisés dans des servocommandes disponibles sur le marché ou personnalisées. Leurs petites tailles ont permis de créer des servocommandes plus petites, comme la série µZ.
Similitudes d'interface Transistors à trois bornes composés d'un circuit de commande de grille relativement simple.
Différences d'interface Source, Drain, Porte Emetteur, Collecteur, Porte
Tension de fonctionnement Typiquement <250V Capable de >1000V
Fréquence de commutation Haut +100kHz Faible ~20kHz

Histoire

Avant l'apparition des MOSFET dans les années 1960, les transistors bipolaires étaient les seuls véritables transistors de puissance sur le marché. Julius Lilienfeld a en fait décrit un dispositif extrêmement similaire à un transistor à effet de champ en 1926, des années avant même l'introduction du transistor bipolaire, mais il n'a jamais été produit car il n'était pas nécessaire à la principale innovation de l'époque : le téléphone. Les transistors bipolaires sont contrôlés par le courant, nécessitent un courant de base élevé pour s'allumer et sont responsables de grandes quantités d'emballement thermique. Les MOSFET offrent les mêmes capacités que les transistors bipolaires mais sont contrôlés par la tension à la borne de la grille plutôt que par le courant, ce qui leur permet d'utiliser beaucoup moins d'énergie pour s'allumer. Les MOSFET ont pu être fabriqués dans des dimensions beaucoup plus petites que les transistors bipolaires, avec une vitesse de commutation plus rapide, une densité beaucoup plus élevée et une réduction de l'emballement thermique. La petite taille des transistors de puissance MOSFET a permis la création de circuits intégrés à haute densité, tels que les puces mémoire et les microprocesseurs, qui ont révolutionné l'industrie électronique.

Dans les années 1980, les IGBT ont été introduits comme un croisement entre les transistors bipolaires et les MOSFET. Le besoin d'un transistor plus efficace et plus puissant est apparu lorsque GE a demandé à Bantval Baliga de rendre les climatiseurs plus économes en énergie, car les MOSFET de l'époque ne pouvaient pas fonctionner efficacement à des tensions aussi élevées. Baliga a combiné les caractéristiques d'entrée d'un transistor bipolaire avec les caractéristiques de sortie d'un MOSFET pour créer un transistor qui pourrait fonctionner efficacement à des tensions et des températures plus élevées tout en conservant l'énergie.

Innovations futures

Bantval Jayant Baliga, l'inventeur de l'IGBT, veut maintenant révolutionner et remplacer les IGBT et les MOSFET par des transistors de puissance en carbure de silicium. Lors de ses recherches à l'université d'État de Caroline du Nord, Baliga a découvert que le carbure de silicium s'avérait plus de 100 fois plus efficace que le silicium utilisé en standard dans les MOSFET et les IGBT. Le carbure de silicium permet aux transistors de commuter plus rapidement et de supporter des températures extrêmement élevées. Il devrait devenir extrêmement utile dans la production de véhicules autonomes où l'électronique doit être robuste et capable de résister à des températures élevées. Toutefois, les transistors en carbure de silicium sont beaucoup plus chers que les IGBT en silicium et ne se sont pas révélés économiquement viables pour la plupart des fabricants d'électronique, malgré leur efficacité énergétique et leur robustesse accrues. On estime qu'à eux seuls, les IGBT ont permis d'économiser $25 billions de dollars grâce à l'amélioration de l'efficacité énergétique. Les transistors en carbure de silicium pourraient probablement ouvrir la voie à la réduction de notre consommation d'énergie et à la diminution des besoins en combustibles fossiles.

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