2. Étude des propriétés physiques des transistors MOS-FET à

Travaux pratiques de physique appliquée du
thème du baccalauréat génie électronique
Session de juin 2011
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Plaine de l’Ain (Ambérieu)
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Alimentation d’une ampoule halogène par un hacheur
série
1. Mise en situation
Le circuit d’alimentation de l’ampoule halogène de la lyre est représenté ci-dessous :
Ce dispositif utilise un transistor MOS-FET à enrichissement (référence BUZ11) utilisé en commutation et
commandé par le signal CMLAMP issu du microcontrôleur.
Ce système est appelé « hacheur série » et le but de ce TP est de comprendre son fonctionnement.
2. Étude des propriétés physiques des transistors MOS-FET à
enrichissement
2.1. Présentation des transistors MOS-FET à enrichissement
Constitution d’un transistor MOS-FET à enrichissement
Source
MOS-FET à canal N
p
n
n
Drain
Grille
G
S
D
Substrat
Source
MOS-FET à canal P
n
p
p
Drain
Grille
G
S
D
Substrat
Matériau
semi-conducteur :
Silicium (Si)
Isolant :
Dioxyde de
Silicium (SiO2)
Métal

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Principe de fonctionnement du MOS-FET à canal N
Supposons initialement la grille (G) déconnectée. Le substrat étant dopé positivement (dopage P), alors que
source et drain sont dopés négativement (dopage N), les jonctions substrat - drain et substrat - source sont
équivalentes à des diodes :
S (N)
Substrat (P)
D (N)
Dans ce cas, aucun courant ne peut circuler du drain vers la source et réciproquement (il y a toujours au
moins une des deux diodes bloquée). Entre drain et source le transistor est équivalent à un interrupteur
ouvert.
Supposons maintenant que l’on polarise positivement la grille par rapport au substrat :
Source
MOS-FET à canal N
p
n
n
Drain
Grille
G
S
D
Substrat
Matériau
semi-conducteur :
Silicium (Si)
Isolant :
Dioxyde de
Silicium (SiO2)
Métal
Canal N
La grille va stocker des charges positives comme l’armature d’un condensateur, ce qui va avoir pour effet
d’attirer sous elle les quelques électrons libres dispersés dans le substrat. Ainsi se forme entre les zones
dopées N du drain et de la source, un canal d’électrons (Canal N) qui permettra à un courant électrique de
circuler. Le transistor devient alors conducteur entre drain et source.
Remarque
Pour un MOS-FET à canal P, le fonctionnement est semblable, à la différence près que la grille doit être
dopée négativement par rapport au substrat.
Symboles
Drain
Source
Grille
MOS-FET à canal P
Drain
Source
Grille
Substrat
MOS-FET à canal N
Substrat
Figure 1 : symboles des transistor MOS-FET

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Pour les composants discrets, le substrat est la plupart du temps relié à la source, cette liaison fait apparaître
une diode entre le drain et la source.
Source
MOS-FET à canal N
p
n
n
Drain
Grille
G
S
D
Substrat
Source
MOS-FET à canal P
n
p
p
Drain
Grille
G
S
D
Substrat
Cette diode figure parfois sur le symbole :
Drain
Source
Grille
MOS-FET à canal P
Drain
Source
Grille
MOS-FET à canal N
Figure 2 : symboles des transistor MOS-FET lorsque le substrat est relié à la source.
2.2. Étude expérimentale des propriétés physiques du transistor MOS-FET
 Régler le GBF pour produire un signal triangulaire symétrique d’amplitude 6 V et de fréquence 200 Hz.
 Câbler le circuit représenté ci-dessous dans le but de visualiser à l’oscilloscope les graphes des tensions
vGS(t) et vDS(t).
GBF
RD
E
vGS
vDS
iD
iG
T
Figure 3 : T : BUZ11, RD = 470 , E = 12 V.

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 Relever les oscillogrammes de vGS(t) et vDS(t) :
Signal
Voie 1
Voie 2
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0
Interprétation
Compléter les phrases suivantes :
Lorsque la tension vGS est inférieure à _______V, la tension vDS vaut _____V , la tension aux bornes de RD
vaut _____V , le courant iD est donc égal à _____A , le transistor MOS-FET à canal N est dans l’état
______________ . Entre drain et source le transistor est équivalent à un interrupteur ______________ .
Lorsque la tension vGS est supérieure à _______V , la tension vDS vaut _________V , donc le transistor MOS-
FET à canal N est dans l’état _______________. Entre drain et source le transistor est équivalent à un
interrupteur ______________ .

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3. Étude du circuit d’alimentation de l’ampoule halogène
GBF
ou
générateur à rapport
cyclique variable
R
E
e
vDS
i
T
u
L
Figure 4 : T : BUZ11 , R = 100 , E = 12 V , L : ampoule 12 V.
Le signal e est un signal carré de type TTL (niveaux : 0 V / 5 V) de fréquence 2,5 kHz et de rapport cyclique
 variable réglé initialement à  = 30 %.
 Rappeler la définition du rapport cyclique  d’un signal rectangulaire.
 Calculer la période (T) la durée de l’état haut (tH) et celle de l’état bas (tB) du signal e .
Régler le générateur du signal permettant de produire le signal e .
 Effectuer le câblage du circuit de manière à visualiser les graphes de e(t) et u(t) la tension aux bornes de
l’ampoule.
 Relever en concordance des temps les graphes de e(t) et u(t) :
Signal
Voie 1
Voie 2
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0
 Interpréter ce graphique :
• indiquer les zones de conduction du transistor T ,
• justifier les deux valeurs possibles de la tension u(t) .
 Expliquer pourquoi l’ampoule ne s’éteint pas lorsque u(t) = 0.
 Observer l’ampoule lorsque l’on fait varier le rapport cyclique : conclusion ?