7ème leçon : Le transistor à effet de champ à grille isolée : le MOSFET. » Régime linéaire ou ohmique» Régime saturé ou transistor

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1 7ème leçon : Le transistor à effet de champ à grille isolée : le MOFET I. MO à enrichissement tructure et symbole Comportement du MOFET» Régime linéaire ou ohmique» Régime saturé ou transistor Courbes caractéristiques II. L'amplification avec un MOFET. chéma équivalent petits signaux III. MO à appauvrissement IV. Portes logiques à transistors MO MO CMO 1

2 Rappel n 1 : Le bipolaire P énérateur de courant commandé par un courant iode passante en entrée i C i C i B u CE i B i b u be r BE u CE u BE i E i E 2

3 Rappel n 2 : Le JFET à canal énérateur de courant commandé par une tension iode bloquée en entrée i d i d u ds u ds u gs u gs s u gs i dépend de la géométrie du canal, modifiée par la zone de déplétion de la diode bloquée. 3

4 Transistor MO à enrichissement (Metal Oxide emiconductor) tructure en surface (planar) : "facile" à fabriquer en grand nombre Bulk ource rille rain P Canal Isolant (ilice io2) Métal emiconducteur dopé P emiconducteur dopé 4

5 Enrichissement (canal ) Par défaut, une telle structure a une résistance infinie (R = 10 ). i une tension est appliquée, u # 0, l'une des deux diodes substrat-source ou substrat-drain se bloque. Pourtant, si on applique une tension de grille u, le champ électrique créé sous la grille chasse les trous du substrat et attire les électrons. i u > UTH, la tension de seuil, une "couche d'inversion" se forme, qui constitue le canal, R diminue rapidement. Le canal se forme par "enrichissement" en électrons. 5

6 Régime Ohmique (résistance) i u n'est pas trop élevée, u << UTH, alors R dépend du nombre de porteurs dans le canal, attirés par u. u > U TH u << U TH B i i P Zone de déplétion Couche d'inversion 6

7 Résistance variable En régime ohmique, R diminue si u augmente R = R0 u UTH - 1 avec u << UTH et u > UTH R est quasi infinie si u ~ UTH Remarque : la conductance du canal dépend linéairement de u. = 0 u UTH - 1 7

8 Régime pincé (transistor) i u suffit à dépolariser une partie de la capacité M-O- La couche d'inversion disparaît coté drain. Les porteurs franchissent l'obstacle par effet tunnel. u contrôle directement le nombre de porteurs dans le canal (# JFET) u > U TH u > U B i i P Zone de déplétion Pincement 8

9 Le MO comme transistor Le nombre de porteurs du canal augmente avec u, donc le courant de drain i aussi. i = I 2 avec u > UTH u UTH - 1 et u > UTH 9

10 Le "gain" du transistor MO La transconductance gm = s est la pente de i(u) gm dépend du point de repos (I, U) gm = s = i u = id ugs = 2 I I UTH Il est possible d'augmenter le gain en augmentant I, le courant de drain au repos i(u) est une parabole, ce qui limite le domaine linéaire. 10

11 Canal ymboles des MO à enrichissement (FET de type C) i u > 0 > 0 Canal P i < 0 u < 0 B B u u > U TH > 0 < U TH < 0 La flèche indique le sens passant de la diode substrat-canal 11

12 ymboles usuel du MO de type C 1er symbole : Le bulk est le plus souvent relié au drain Le 2ème symbole suppose le canal enrichi et pincé Le 3ème symbole, utilisé en logique, assimile le MO à une résistance infinie (bloqué) ou faible (passant) B 12

13 Caractéristique du MO de type C Avantage majeur : bloqué si u = 0 i i Résistance commandée u croissant Amplificateur ource de courant quasi parfaite u u = U TH U TH U u 13

14 ymboles usuel du PMO de type C Même remarques que pour le MO : le plus souvent B = et le canal est enrichi, pincé en logique, il est commode d'assimiler le MO à une résistance B P Toutes les variables (i, u, u) sont négatives 14

15 Caractéristique du PMO de type C Les variables sont négatives U TH u u = U TH < 0 i i u u croissant 15

16 Utilisations des MO à enrichissement Interrupteur C'est la principale utilisation des MO. i u > UTH : u < UTH <=> MO bloqué <=> i ~ 0 (le blocage est excellent) u > UTH <=> MO passant <=> i = I = cte Amplificateur La capacité de la grille limite la bande passante du système. Les progrès actuels repoussent toujours plus loin ce défaut. Résistance commandée R est beaucoup plus grande dans un MO que dans un JFET, aussi ce dernier sera souvent préféré pour cette application. 16

17 Amplificateur à MO Le montage à drain commun est le seul intéressant. U I P R I R C 2 Le pont de grille est en sortie ouverte pour le continu. Il fixe U au niveau souhaité. C 1 u 1 R' u 2 17

18 Le schéma équivalent en petits signaux est le même pour tous les FET La capacité MO est assimilable à un circuit ouvert en entrée. i d Les paramètres peuvent s'exprimer sous la forme d'une matrice y. u gs u ds i augmente faiblement avec u, ce qui peut être modélisé par une résistance de sortie en parallèle sur le générateur. s u gs 18

19 A haute fréquence, le condensateur MO reprend ses droits. Il faut alors en tenir compte. i d u gs 1 y 22 u ds y 21 u gs 19

20 Le MO à appauvrissement (FET de type B) Fonctionne sur le même principe qu'un type C Le canal est préimplanté à la fabrication onc ce MO conduit par défaut (u = 0) Bulk ource rille rain P Canal ubstrat Isolant (ilice io2) Métal emiconducteur dopé P emiconducteur dopé 20

21 ymboles du MO à appauvrissement Les symboles manifestent la continuité du canal à u = 0. i u > 0 > 0 B B u > U TH 21

22 Caractéristiques du MO à appauvrissement i i u croissant u = 0 u u = U TH < 0 U TH u 22

23 ymboles du PMO à appauvrissement i < 0 u < 0 B B u < U TH 23

24 Caractéristiques du MO à appauvrissement i U TH u = U TH u > 0 i u u = 0 u croissant 24

25 Les portes logiques à base de MO (C) L'immense majorité des transistors MO est utilisée dans les circuits logiques à haute intégration (VLI). Les avantages des MO en logique sont nombreux : "Faciles" à intégrer à la surface des wafer Peuvent servir de résistors, de condensateurs ou d'interrupteurs Il n'y a pas de composant ajouté dans une porte MO onc les portes MO prennent moins de place que les TTL, à base de bipolaires L'impédance d'entrée très grande des MO permet à une seule porte de commander beaucoup d'autres portes La moindre électricité statique détruit cette impédance Les porte CMO (Coupled MO) ne consomme pas de courant au repos 25

26 L'inverseur MO Q1 est typiquement une "résistance" U1 = U, donc Q1 est toujours passant Q1 et Q2 forment un pont diviseur dissymétrique. Par construction : RQ1 passant >> RQ2 passant et RQ1 passant << RQ2 bloqué U i Q 1 x = a a x a Q 2 26

27 Le A MO x = 0 si et seulement si a = b = 1 ux = 0 V si et seulement ua = ub = U U Un 0 sur une borne correspond à un quasi- court-circuit de cette borne à la masse à travers un transistor passant i Q 1 x = a.b a b x a b Q 2 Q 3 27

28 Le OR MO x = 1 si et seulement si a = b = 0 ux = U si et seulement ua = ub = 0 V Un 1 sur une borne correspond à un quasi-court-circuit de cette borne à l'alimentation. U i Q 1 x = a+b a x a Q 2 Q 3 b b 28

29 L'inverseur CMO Ici les géométrie des MO sont identiques, mais leurs dopages opposés. u 1 U i Quelque soit ua (0 ou U) un des MO est bloqué et l'autre passant a P Q 1 x = a a x Q 2 u 2 29

30 Le A CMO La partie haute de la porte est bloquée ssi ua = ub = U. ans ce cas, la partie basse est passant et ux = 0 V P U i Q 1 Q 2 P a b x a Q 3 Q 3 x = a.b b 30

31 Le OR CMO La partie basse de la porte est bloquée ssi ua = ub = 0. ans ce cas, la partie haute est passante et ux = U a Q 2 P P U i Q1 b x = a+b a b x Q 3 Q 4 31

32 Avantages spécifiques des CMO La tension d'alimentation peut être choisie entre 3 et 15 V La consommation de courant au repos est quasi-nulle eul une commutation consomme du courant onc l'augmentation de la fréquence d'horloge augmente la puissance dissipée Toutes les porte MO ou CMO sont très fragiles face à l'électricité statique (ou le erreurs de branchement). Une entrée de porte ne doit jamais être flotante. 32