schéma interne du transistor W20NM60

En jouant avec mon circuit de Slayer permettant de produire des très hautes tensions (~100 000 V), j’ai accidentellement grillé le transistor qui se trouve dedans.
Ce transistor est un composant essentiel du circuit : sans lui, l’ensemble ne fonctionne plus du tout.

Le transistor en question est de type Mosfet W20NM60 de chez STMicroelectronics (specs).

Quand il a grillé, ça n’a pas fait d’étincelles ou de flammes, ni de bruit : il a grillé silencieusement et le circuit a simplement cessé de fonctionner d’un seul coup.

L’apparence extérieure n’a pas changé (pas noirci ni rien). Pour savoir s’il avait grillé, il m’a fallu apprendre à tester le transistor avec un multimètre, et c’est de ça que je vais vous parler.

Les transistors de puissance, comme c’est le cas ici, sont destinées à être employées sous de fortes tensions. Avec un transistor normal, ces fortes tensions induisent quelques effets parasites indésirables, dont un qui rend le composant totalement incontrôlable et imprévisible.
Une des solutions que les fabricants ont trouvés est de relier la source et le drain par une jonction PN, c’est à dire une diode.

Désormais, cela limite le fonctionnement du transistor à seulement un seul sens de fonctionnement (le courant ne passe plus que dans du drain vers la source), mais le problème parasite initial s’en trouve résolu.
Un effet de bord à cela est que le courant allant dans l’autre sens, de la source vers le drain, peut lui toujours passer : il s’agit du sens passant de la diode :

schéma interne du transistor W20NM60

Méthode de test 1 : test de la diode

Pour vérifier si le transistor fonctionne, on peut vérifier si cette diode n’a pas claquée.

Pour cela, il suffit d’utiliser le multimètre en mode « diode ».
Une diode n’est passante qu’à partir d’un certains seuil de tension, même en sens passant : c’est la tension de seuil. Le mode diode du multimètre mesure cette tension de seuil :

le mode diode sur un multimetre
Si la diode a claquée, est est totalement passante dans les deux sens : la tension affichée est nulle ou trop basse.
En pratique, il suffit de vérifier que le courant passe entre la source et le drain.

Sur un transistor fonctionnel, la tension est de 0,443 V dans le sens passant (donc avec le fil rouge sur la source (borne 3) et le fil noir sur le drain (borne 2)). Dans l’autre sens, la tension est « OL », ou « out limits », soit hors des limites mesurables par l’appareil. Autrement dit, la diode est bien bloquante dans ce sens.

On peut aussi constater que les tensions entre la grille et le drain et entre la grille et la source sont toutes « OL » (le courant ne passe pas).

Sur mon transistor grillé, je constate que la tension normalement à 0,443 V est passée à 0,005 V, dans un sens ou dans l’autre : le courant passe donc très bien et dans les deux sens.
Je note aussi que le courant passe entre la grille et la source , avec une chute de tension très faible de 0,227 V, là où elle devrait être « OL ». Aucun doute : le transistor est bien mort.

Méthode de test 2 : test de la capacité de la grille

Une autre méthode de mesure consiste mesurer la capacité de la grille.

La grille d’un transistor à effet de champ est une porteuse de charges électriques. S’il y a des charges sur la grille, le champ qu’il produit permet le passage d’électrons entre la source et le drain.
Vu que le multimètre en mode diode délivre un courant, on peut légèrement charger la grille : il suffit de toucher la grille (la borne 1) avec le fil noir, tout en maintenant le fil rouge sur la source.

La grille étant maintenant légèrement chargée, le transistor est légèrement passant : il existe une petite tension entre le drain et la source. Inversement, la tension de seuil dans le sens de la source vers le drain devrait avoir augmentée.

Sur mon transistor neuf, là où je mesurais 0,443 V entre la source et le drain, maintenant que la grille est chargée, cette tension passe à 0,472 V. C’est peu, mais ça augmente de façon significative.

Quand je décharge la grille (borne rouge sur la grille et borne noir sur le drain), la tension redescend à son niveau normal. En mesurant, je tombe sur 0,442 V (la valeur normale). Le transistor neuf répond donc parfaitement : la grille flottante possède une capacité spécifique que l’on évalue très bien.

Cette même manipulation sur le transistor grillé n’a aucun effet : la structure interne du composant étant détruite, la grille ne stocke plus de charges et le courant peut librement passer dans tous les sens. En pratique, on mesure à peu près 0 V entre n’importe quelle borne.

Compléments et info

Voilà donc pour vérifier un transistor Mosfet.
Dans les autres transistors (comme le transistor bipolaire), ils correspondent grosso-modo à deux diodes collées ensembles. Le mode diode du multimètre permet donc de les vérifier également.

Ci-dessous, quelques explications sur les transistors.

Le transistor W20NM60 est de type Mosfet (metal-oxyde seconductor field effect transistor, donc « transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur »). Il est donc très légèrement différent au transistor bipolaire classique dont j’explique le fonctionnement dans mon article sur les transistors.

Pour faire rapide, les transistors Mosfet utilisent une grille isolée (un conducteur isolé, donc relié à rien, au sein du composant, et correspondant à une des trois pattes du composant) et des champs électriques (d’où le « à effet de champ ») pour contrôler la circulation d’électrons sous la grille.

La mise sous tension de la grille va produire un champ électrique dans le composant : ce champ va repousser ou attirer les électrons plus ou moins fortement dans un conducteur, et donc contrôler la circulation du courant, un peu comme un robinet plus ou moins ouvert contrôle le débit d’eau (sauf qu’ici, on contrôle le débit à distance avec un champ électrique).

Le problème de ces composants, c’est que si la tension est trop forte, le champ électrique créé est trop intense et les électrons sont forcés à circuler dans les régions isolantes du composant. On assiste alors au claquage du composant : les 3 pôles du transistor se trouvent reliés à une même zone devenue entièrement conductrice et le courant peut circuler comme il veut, hors de tout contrôle.

Une diode haute tension permet d’éviter cela en temps normal, mais la diode a également ses limites.

Si vous avez suivi :

  • dans le transistor en bon état : le courant circule dans un seul sens seulement, et uniquement si on met la grille sous tension.
  • dans le transistor grillé : le courant circule comme il veut, l’effet « robinet » ne marche plus et c’est comme si ce dernier était toujours ouvert.

Grâce au multimètre, on vérifie l’état du robinet, en regardant si le courant passe ou non quand on le laisse fermé. Le multimètre constitue ici une méthode bon marché pour tester un transistor. Bien-sûr, il ne permet pas de vérifier le niveau d’usure ou ses paramètres (temps de réponse, tension de claquage, etc.) qui sont présentées dans sa fiche technique (lien donné plus haut).

Enfin, si votre multimètre n’a pas de fonction diode, vous pouvez utiliser la fonction ohmmètre : la diode se comporte comme un fil en sens passant (donc très faible résistance) et comme un circuit ouvert en sens bloquant (donc résistance infinie, ou « OL »).
Si vous n’avez qu’un voltmètre, ou un ampèremètre, vous pouvez brancher le transistor à une pile et mesurer le passage du courant ou la tension aux bornes du transistor :

  • en sens bloquant, le courant doit être nul et la tension proche de celle de la pile ;
  • en sens passant, le courant doit être celui délivré par la pile et la tension pratiquement nulle.

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