Composants à semi conducteurs : Transistor à effet de champ MOS

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1 Électronique 1 Composants à semi conducteurs : Transistor à effet de champ MOS 1 Transistor MOS (ou MOS FET) MOS : Metal Oxyde Semi-conducteur FET : Field Effect Transistor Transistor à canal N : Transistor à canal P : B : substrat : support 3 électrodes : Drain, Source et Grille (Gate) La grille est une couche d oxyde isolant 1. Zone ohmique On polarise toutes les électrodes par rapport au substrat On est dans le cas où B et V DB sont faibles : B < V p et V DB < V p V p : Tension de pincement. Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 1/11

2 V p = V GB V T n 0 V T : Tension de seuil Il y a un potentiel sur la grille. Canal N : V T : Tension de seuil n 0 : Coefficient de charge surfacique V P : Tension de pincement V DB < V P et B < V P = 2I 0n 0 VT 2 ((V DB B )(V GB V T ) n 0 2 (V DB 2 VSB)) 2 K N ((V DB B )(V GB V T ) 1 2 (V 2 DB V 2 SB)) avec K N = W L C oxµ Charges + et - autour de l oxyde Un canal N est créé Un courant peut circuler du drain vers la source via le canal. Le courant augmente si V GB 2. Zone de saturation ou zone active On augmente la tension > V p Le courant ne dépend plus de proportionnel à V GB et B 3. Si V DB > V p et B > V p Le canal est pincé des deux côtés plus de canal = 0 Le transistor est bloqué. 4. Caractéristiques du Transistor V DB > V P et B < V P = I 0 ( V GB V T 1 n 0 B V T ) 2 = K N 2 (V GB V T n 0 B ) 2 Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 2/11

3 V DB > V P et B > V P : = 0 On regarde en fonction de V DB Cas bloqué B > V GB V T n 0 V GB < n 0 B + V T zone ohmique zone active V GB3 V GB2 V GB1 n 0 V s +V T V GB <n 0 B +V T blocage Transistor passant : V GB > n 0 B + V T Cas limite Zone active et Zone ohmique : V DB = n 0 B + V T l = K N 2 n2 0(V DB B) 2 Dans la zone active on a : n 0 B +V T V GB 2 TMOS sans polarisation de la source Dans la majorité des cas, la source est connectée au substrat B = 0 I G VDS V GS S Les tensions sont référencées par rapport à la source 2.1 Équations Dans tous les cas, I G = 0 alors I S = Cas du transistor bloqué = 0 bloqué pour B > V p V p < 0 V GS V T n 0 < 0 cas où V GS < V T Zone ohmique = K N [(V GS V T ) V 2 DS 2 ] Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 3/11

4 On est dans la zone ohmique si < V p Zone active (ou saturation) = K N 2 (V GS V T ) 2 Cas limite ohmique = I Z active = V GS V T limite = K N 2 V 2 DS Caractéristiques : Caractéristique de sortie I 2 zone ohmique zone active V GS2 V GS1 =V GS -V T 1 V GS <V T Caractéristique Entrée / Sortie en Zone active I D zone active Remarque Pour la zone ohmique : Si faible, = K N (V GS V T ) = K N (V GS V T ) = 1 R DS autour de 0. V T V GS 1 V GS V G 3 1/r d V G 2 1/r d1 V G 1 V T V G1 V GS Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 4/11

5 Cas du canal P TMOS à canal P (Source connectée au substrat) : Zone de saturation : = K P 2 (G V T P ) 2 Zone ohmique : = K P [(G V T P )D V 2 SD 2 ] 3 Transistor en amplification / modèle petits signaux Source commune : Principe : Polarisation dans la Zone Active car le courant de sortie dépend de la tension d entrée V GS Petites variations dans la zone quadratique Droite de charge : = = E R D = E R D Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 5/11

6 3.1 Modèle petits signaux simplifié En zone active, = K N 2 (V GS V T ) 2 et on cherche ĩ D = V ṽ GS = 2 K N (V GS V T ) 2 DS ID0 / 0 2 V GS V ṽ GS T P0 0 g m = 2 V GS V T : transconductance Le schéma petits signaux est : G i D D v GS S g m v GS g m dépend du point de polarisation v DS Remarque Le PMOS (canal P) a le même schéma 3.2 Caractéristiques réelles 0 P 0 pente liée à la modulation de l épaisseur du canal -V M V GS -V T 0 Il y a une pente liée à la modulation de l épaisseur du canal. = K N 2 (V GS V T ) 2 V M + V M + V GS V T Le schéma petits signaux peuvent être complété La pente traduit la variation 0 P0 = g c = = V M r DS G g c i D D v GS g m v GS r ds v DS S 3.3 Modèle HF G C GD i D D v GS C GS g m v GS r ds v DS S G GS et C GD de l ordre de quelques pf Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 6/11

7 3.4 Amplificateur source commune G i D D v GS r g1 r g2 v GS g m v GS r ds R d v S S R ṽ s = R g m ṽ GS avec ṽ GS = ṽ e ṽ s ṽ e = r DSR D R D + r DS g m 4 Amplification. Inverseur CMOS C : Complémentaire Association de transistors complémentaires Canal P et canal N (PMOS et NMOS) Structure d un inverseur : On voit que : V GS N = V e et V GS p = V E ou V GS P = V E 4.1 Vérification de la fonction inverseur Si V e = 0, alors V GS = 0 < V T NMOS est bloqué alors E = avec > V T p Le transistor est passant mais p = 0 car i DN = 0 r ds = r DS i D = Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 7/11

8 si V E =, V GS N = > V T T N passant V GS P = 0 T P bloqué V E 0 0 V TN -V TN VDD V e N = P N + DP = N -P G V GS - G = V E V GS = V E Caractéristiques : T N T P n V e < V T N Bloqué Ohmique 0 V e = V GS1 Saturé Ohmique 1 1 V e = V GS2 Saturé Saturé 2 2 V e = V GS3 Ohmique Saturé 3 3 V e > V T P Ohmique Bloqué 0 0 > 1 > 2 > 3 Le courant passe par un maximum lors du basculement Lorsque le NMOS et le PMOS sont en zone de saturation. Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 8/11

9 pour qu il y ait basculement, il faut que > V T N + VT P On cherche quand 2 prend sa valeur maximale. N = K N 2 (V GS V T N ) 2 = K P 2 (V GS P V T P ) 2 = K N 2 (V e V T N ) 2 = K P 2 ( V e V T P ) 2 Valeurs de V e en zone de saturation KP V e V T N = ( V e VT P ) 2 K N V e = K ( V T P ) P 1 + K N K N K P + V T N une seule tension pour laquelle le 2 transistors sont en saturation. Zone de basculement très réduite V s V e V e si on choisit : V T N = VT P et KN = K P, V ebase = V T N + V T N 2 = 2 Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 9/11

10 Comportement en fonction du temps : V e t t 2 T/2 t Le courant existe lors du basculement de la porte < >= Aire T 2 5 Autre fonction logique = 2fAire V s V e1 = 0 et V e2 = Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 10/11

11 ? V s V e1 = et V e2 = 0 V s V e1 = et V e2 = V s V e1 = 0 et V e2 = 0 V e1 V e2 T 1P T 1N T 2P T 2N 0 0 Ohmique? Ohmique Bloqué 0 Ohmique Bloqué Bloqué Ohmique 0 Bloqué? Ohmique Bloqué Bloqué Ohmique Bloqué Ohmique 0 C est une porte NAND. Électronique 1 - Chap 8: Transistor MOS TELECOM 1A (skulk) Page 11/11

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