Comment lire un symbole MOSFET: NMOS, PMOS, flèches et diodes intrinsèques

Si vous avez déjà ouvert un schéma et observé un symbole MOSFET en vous demandant quelle borne correspond à la source, pourquoi la grille est séparée du canal ou pourquoi la flèche pointe dans des directions différentes sur deux symboles apparemment identiques, vous n'êtes pas seul.

Le symbole schématique d'un MOSFET réunit quatre informations indépendantes dans un petit dessin: polarité du canal, mode de fonctionnement, identification des bornes et type de composant. Une fois ces quatre indices correctement interprétés, tout symbole MOSFET devient facile à comprendre, qu'il apparaisse dans la fiche technique d'un circuit de puissance, un schéma logique CMOS ou une bibliothèque EDA.

Ce guide explique:

• Comment identifier les symboles NMOS et PMOS
• Comment le sens de la flèche varie entre les symboles IEEE/IEC et les symboles simplifiés de circuits intégrés
• Les différences entre les symboles MOSFET à enrichissement et à appauvrissement
• Les différences entre les symboles MOSFET à 3 et 4 bornes
• L'orientation de la diode intrinsèque des MOSFET de puissance
• Les conventions utilisées dans les fiches techniques, les schémas CMOS et les outils EDA

Comment lire un symbole MOSFET: 5 indices visuels

Figure: Éléments du symbole schématique d'un MOSFET à canal N et à enrichissement.

Ces cinq indices visuels permettent d'identifier la plupart des symboles NMOS, PMOS et MOSFET à enrichissement ou à appauvrissement présents dans les fiches techniques et les schémas.

Types et symboles de MOSFET

Deux polarités de canal combinées à deux modes de fonctionnement produisent les quatre symboles MOSFET de référence.

• MOSFET à canal N et à enrichissement (NMOS): flèche vers l'intérieur et ligne de canal discontinue. Il s'agit du type le plus courant, notamment utilisé pour la commutation côté masse dans les convertisseurs buck, les ponts en H et les pilotes de moteurs
• MOSFET à canal P et à enrichissement (PMOS): flèche vers l'extérieur et ligne de canal discontinue. Il est couramment utilisé pour la commutation côté alimentation et la protection contre l'inversion de polarité
• MOSFET à canal N et à appauvrissement: flèche vers l'intérieur et ligne de canal continue. Il reste passant lorsque VGS = 0
• MOSFET à canal P et à appauvrissement: flèche vers l'extérieur et ligne de canal continue. Il s'agit du type commercial le plus rare

Comprendre les lignes, la flèche et les bornes d'un symbole MOSFET

Un symbole MOSFET standard comporte trois éléments structurels. Leur compréhension est essentielle pour comparer un BJT et un MOSFET, car le MOSFET fonctionne à partir d'un champ électrostatique et non par injection de porteurs minoritaires.

Ligne du canal: continue ou discontinue

La ligne verticale centrale représente le canal semi-conducteur, c'est-à-dire le chemin physique parcouru par le courant entre le drain et la source. Son apparence indique le mode de fonctionnement:

• Une ligne interrompue ou discontinue, généralement composée de trois segments courts, indique qu'aucun canal n'existe lorsque VGS = 0 et identifie un MOSFET à enrichissement
• Une ligne continue indique qu'un canal existe par défaut lorsque VGS = 0 et identifie un MOSFET à appauvrissement

Structure de la grille et espace isolant

La grille est représentée par une ligne horizontale qui s'approche du canal sans jamais le toucher. Cet espace représente la couche isolante de dioxyde de silicium (SiO2). Il s'agit de la principale différence visuelle et physique entre les symboles MOSFET et JFET. Dans un JFET, la ligne de grille touche directement le canal, contrairement au MOSFET.

Flèche du substrat: signification et conventions

La flèche est reliée à la borne du substrat, également appelée body ou bulk.

1. Dans les symboles détaillés à quatre bornes, elle pointe du matériau de type P vers celui de type N, conformément à la convention des jonctions PN
2. Dans les symboles simplifiés à trois bornes utilisés pour les circuits intégrés, elle est placée sur la source et indique le sens du courant conventionnel

Ces deux conventions sont utilisées dans les schémas électroniques modernes.

Bornes d'un MOSFET: grille, source, drain et substrat

Dans la plupart des boîtiers discrets, comme TO-220, SOT-23, DPAK et TO-247, le substrat est relié en interne à la source. Le symbole ne présente donc que trois bornes externes.

Dans les circuits intégrés complexes, où des centaines de transistors partagent un même substrat, celui-ci peut apparaître comme une quatrième connexion physique indépendante.

Représentation du substrat dans les composants discrets et les circuits intégrés

Dans le symbole d'un composant discret, une courte ligne interne relie directement la flèche à la source. Cette connexion explicite du substrat à la source permet d'identifier immédiatement la polarité de la diode intrinsèque.

Dans les schémas de circuits intégrés, le substrat apparaît soit comme une quatrième broche reliée à VSS pour un NMOS ou à VDD pour un PMOS, soit comme une connexion implicite. Dans ce dernier cas, une bulle sur la grille indique la polarité PMOS.

Comment interpréter la flèche d'un symbole MOSFET?

La flèche est l'élément le plus souvent mal interprété, car deux conventions distinctes utilisent le même élément graphique avec des significations différentes.

Sens de la flèche dans les symboles MOSFET IEEE/IEC à quatre bornes

Dans un symbole détaillé à quatre bornes, la flèche se trouve sur la connexion du substrat et pointe toujours du matériau de type P vers celui de type N, conformément à la polarité d'une jonction PN:

• NMOS à canal N: le substrat est de type P et le canal de type N. La flèche pointe donc vers l'intérieur, selon le moyen mnémotechnique "N is in"
• PMOS à canal P: le substrat est de type N et le canal de type P. La flèche pointe donc vers l'extérieur

Figure: Comparaison des NMOS et PMOS selon la représentation détaillée IEEE/IEC à quatre bornes.

Flèche sur la source dans les symboles simplifiés

Dans les symboles simplifiés à trois bornes, le substrat est implicite. La flèche est placée sur la source et indique le sens du courant conventionnel lorsque le composant conduit:

• NMOS simplifié: la flèche de la source pointe vers l'extérieur, en s'éloignant de la grille
• PMOS simplifié: la flèche de la source pointe vers l'intérieur, en direction de la grille

Cette convention est exactement opposée à celle du symbole détaillé. Un NMOS possède une flèche vers l'intérieur dans la représentation détaillée, mais vers l'extérieur dans la représentation simplifiée. Les deux sont correctes et suivent simplement des normes différentes.

Identifier la convention utilisée

Pour éviter les erreurs, commencez par identifier le style général du symbole.

Vérifiez si le substrat est représenté par une connexion séparée ou s'il est directement relié à la source dans le symbole.

• Si oui: il s'agit de la représentation détaillée IEEE/IEC. La flèche indique le sens physique de la jonction PN, vers l'intérieur pour un NMOS et vers l'extérieur pour un PMOS
• Si non: il s'agit de la représentation simplifiée pour circuit intégré. La flèche indique le sens du courant conventionnel sur la source, vers l'extérieur pour un NMOS et vers l'intérieur pour un PMOS

Les fiches techniques d'électronique de puissance utilisent généralement la représentation détaillée, tandis que les schémas CMOS et de logique numérique utilisent souvent la version simplifiée.

Symbole NMOS ou PMOS: principales différences

Figure: Comparaison des symboles NMOS et PMOS selon la représentation détaillée IEEE/IEC à quatre bornes et la représentation simplifiée à trois bornes.

Caractéristiques du symbole NMOS

• Flèche vers l'intérieur en représentation détaillée ou vers l'extérieur sur la source en représentation simplifiée
• Aucune bulle sur la grille dans la représentation pour circuit intégré
• Anode de la diode intrinsèque reliée à la source et cathode reliée au drain
• Activation avec une tension VGS positive, VGS > Vth
• Utilisation courante comme interrupteur côté masse

Caractéristiques du symbole PMOS

• Flèche vers l'extérieur en représentation détaillée ou vers l'intérieur sur la source en représentation simplifiée
• Bulle présente sur la grille dans la représentation pour circuit intégré
• Anode de la diode intrinsèque reliée au drain et cathode reliée à la source
• Activation avec une tension VGS négative, VGS < -Vth
• Utilisation courante comme interrupteur côté alimentation

Symboles MOSFET à enrichissement et à appauvrissement

Comprendre la différence entre les modes à enrichissement et à appauvrissement est essentiel lors du choix de composants CMS.

Figure: Comparaison des symboles MOSFET à enrichissement et à appauvrissement.

Canal discontinu: MOSFET à enrichissement normalement bloqué

Une ligne de canal interrompue, composée de trois segments verticaux courts, indique qu'aucun canal conducteur n'existe lorsque VGS = 0. Le composant est naturellement bloqué. Le canal se forme uniquement lorsque la valeur absolue de la tension grille-source, |VGS|, dépasse la tension de seuil Vth. Les MOSFET à enrichissement dominent le marché: presque tous les MOSFET de puissance discrets et les circuits logiques CMOS standard utilisent ce mode.

Canal continu: MOSFET à appauvrissement normalement passant

Une ligne de canal continue indique qu'un canal conducteur existe lorsque VGS = 0. Le composant est naturellement passant. Une tension grille-source de polarité opposée doit être appliquée pour appauvrir le canal et interrompre le courant. Ces composants spécialisés sont principalement utilisés dans les sources de courant constant, les circuits RF analogiques et les circuits de démarrage autopolarisés.

Symboles MOSFET à 4 et 3 bornes

Figure: Comparaison des symboles à 4 et 3 bornes.

Dans les circuits intégrés, les transistors partagent un même substrat en silicium. La borne de substrat est donc reliée à un rail d'alimentation commun, VSS pour les NMOS et VDD pour les PMOS, plutôt qu'à la source de chaque transistor. Les outils EDA utilisent pour cela les symboles à quatre bornes nmos4 et pmos4. Dans les boîtiers discrets, le substrat est relié en interne à la source, ce qui produit un composant à trois bornes dont la diode intrinsèque est généralement visible dans les schémas de puissance.

Lors du passage du schéma au routage, il est essentiel de comprendre les différents types de boîtiers. Le choix entre des composants CMS et traversants influence les performances thermiques et l'encombrement du PCB.

Symbole de la diode intrinsèque d'un MOSFET

Origine et représentation de la diode intrinsèque

La diode intrinsèque n'est pas ajoutée volontairement. Il s'agit d'une jonction PN parasite formée entre le substrat de type P et la région de drain de type N dans un NMOS. Les fabricants de MOSFET de puissance la représentent explicitement afin de rappeler l'existence de ce chemin de conduction parallèle.

Figure: Symbole d'un MOSFET de puissance à canal N avec sa diode intrinsèque.

Orientation de la diode intrinsèque d'un NMOS et d'un PMOS

• Diode intrinsèque du NMOS: anode reliée à la source et cathode reliée au drain. Elle conduit lorsque VDS devient négative et fournit un chemin de roue libre pendant le temps mort
• Diode intrinsèque du PMOS: anode reliée au drain et cathode reliée à la source. Elle conduit lorsque VSD devient négative

Dans les circuits de commutation haute fréquence, la diode intrinsèque conduit un courant important pendant les temps morts. Son temps de recouvrement inverse (trr) et sa charge de recouvrement inverse (Qrr) sont des paramètres essentiels de la fiche technique, car ils influencent directement les pertes de commutation et le rendement du système.

Symboles MOSFET simplifiés dans les schémas CMOS

Signification de la bulle sur la grille d'un PMOS

Un petit cercle, ou bulle, placé sur la grille d'un symbole MOSFET simplifié identifie un PMOS. Il indique que la grille est active à l'état BAS par rapport à la source.

Bien qu'elle ressemble à une bulle d'inversion logique, comme sur une porte NOT ou NAND, cette bulle indique la polarité d'un canal P et non une négation logique. Cette confusion est fréquente dans les schémas CMOS numériques.

Figure: Symboles simplifiés NMOS et PMOS avec un exemple d'inverseur CMOS montrant leur association.

Pourquoi les symboles simplifiés omettent-ils le mode de fonctionnement?

Les symboles simplifiés pour circuits intégrés n'utilisent pas de ligne discontinue ou continue pour distinguer les modes. Dans un schéma CMOS, le mode à enrichissement est supposé par défaut, sauf indication contraire, car les composants à appauvrissement sont rarement employés dans les procédés CMOS numériques standard.

Symbole MOSFET et symbole JFET: différence visuelle

Figure: Comparaison d'un MOSFET à canal N comportant un espace d'isolation et d'un JFET à canal N dont la grille touche le canal.

La principale différence visuelle entre les symboles MOSFET et JFET est l'espace physique entre la ligne de grille et celle du canal.

• Dans le symbole MOSFET, la grille est isolée du canal et l'espace représente la couche d'oxyde de grille
• Dans le symbole JFET, la grille touche directement le canal et représente une jonction PN physique polarisée en inverse sans couche isolante

Le symbole IGBT associe ces deux familles: il possède une grille isolée de type MOSFET, mais utilise une flèche d'émetteur de type BJT, avec les bornes collecteur (C) et émetteur (E) à la place du drain et de la source.

Normes des symboles MOSFET: conventions IEEE, ANSI et IEC

La principale norme américaine historique était IEEE 315-1975, également appelée ANSI Y32.2-1975. Son complément IEEE 315A-1986 a adopté explicitement des symboles MOSFET issus des normes IEC. Ces deux normes ont été officiellement désactivées par l'IEEE le 7 novembre 2019.

La norme internationale actuellement active est IEC 60617, maintenue sous forme de base de données en ligne par la Commission électrotechnique internationale. Dans la pratique, les symboles MOSFET des normes modernes sont visuellement identiques. La principale variation rencontrée aujourd'hui ne concerne pas IEEE et IEC, mais la différence entre la représentation détaillée des composants discrets et la représentation simplifiée des circuits intégrés.

Symboles MOSFET dans KiCad, LTspice, EasyEDA et Altium

KiCad

KiCad propose de nombreux symboles NMOS, PMOS, MOSFET à enrichissement, MOSFET à appauvrissement et MOSFET à quatre bornes dans sa bibliothèque Transistor_FET. Les représentations détaillées IEEE/IEC et les versions numériques simplifiées sont disponibles.

LTspice

LTspice propose quatre symboles MOSFET par défaut:

• nmos et pmos à trois bornes
• nmos4 et pmos4 à quatre bornes, avec une broche de substrat explicite et des paramètres modifiables de largeur et de longueur de canal W/L

Utilisez les variantes à quatre bornes pour simuler les variations de tension de seuil et l'effet de substrat. Dans les netlists SPICE, toutes les instances MOSFET reçoivent automatiquement le préfixe M, par exemple Mxxx Nd Ng Ns Nb <model>.

EasyEDA, Altium Designer et Autodesk Eagle

EasyEDA, Altium Designer et Eagle utilisent des symboles MOSFET simplifiés à trois bornes dans leurs bibliothèques par défaut.

Altium utilise MOSFET_N et MOSFET_P avec l'intégration au portail Altium 365, tandis que la bibliothèque transistor.lbr standard d'Eagle propose des symboles génériques NMOS et PMOS.

Avant d'envoyer vos fichiers en fabrication, vérifiez les différences entre PCB et PCBA afin d'éviter toute incompatibilité entre le routage et l'assemblage.

FAQ sur les symboles MOSFET

Conclusion

Quatre indices visuels permettent de décoder un symbole MOSFET: le sens de la flèche identifie la polarité du canal, NMOS ou PMOS, le style de la ligne du canal indique le mode à enrichissement ou à appauvrissement, la diode intrinsèque révèle son orientation entre source et drain et le style détaillé ou simplifié détermine la convention appliquée à la flèche.

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