MOSFET(I) CARACTERISTIQUES COURANT - TENSION

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Claudine Rochefort
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1 MOSFET(I) CARACTERISTIQUES COURANT - TENSION Sommaire 1. MOSFET: coupe, "layout", symboles 2. Opération qualitative 3. Caractéristiques I-(V)

2 1. MOSFET: "layout", coupe, symboles Caractéristiques: Couche d'inversion sous la grille (dépend tension grille) Régions fortement dopées en recouvrement partiel Couche d'inversion pour connecter source et drain Composants à 4 broches le potentiel du "body" est important

3 Les symboles Deux composants complémentaires : transistor canal n (n-mosfet) sur substrat p couche d'inversion à électrons transistor canal p (p-mosfet) sur substrat n-si couche d'inversion à trous

4 Structure d un NMOS canal N 0.01 à 0.03 µm Grille physiquement séparée du substrat par un isolant (Résistance > Ω) La grille agit par effet capacitif Source et Drain physiquement identiques Source et Drain distingués uniquement par leur polarisation Les porteurs circulent entre la Source et le Drain

5 Les dimensions importantes d un MOS L (Length) : Longueur du canal - Son minimum est défini par la technologie. - Exemple : Technologie AMS CMOS 0.8µm. W (Width) : Largeur du canal

6 2. Fonctionnement qualitatif Courant Drain (I D ): propotionnel à inversion de charge et à la vitesse des charges entre le Drain et la Source Vitesse : proportionnelle au champ électrique entre le drain et la source Tension Grille-Source (VGS ): contrôle la quantité d'inversion de charge qui transporte le courant Tension Drain-Source (V DS ) : contrôle le champ électrique qui dirige l'inversion de charge entre la source et le drain VDS VGS ID S G D n+ n+ depletion region inversion layer p B Il faut comprendre la relation entre le courant de drain dans le MOSFET comme une fonction de la tension grille-source et de la tension drain-source. Pour simplifier initialement on considère la source connectée au "body" (substrat))

7 Trois régimes de fonctiuonnement: Régime bloqué MOSFET: V GS < V T, avec V DS 0 Charge d'inversion = 0 V DS tension de région de déplétion du drain I D = 0 S V GS <V T G V DS 0 D n+ n+ depletion region p no inversion layer anywhere

8 Trois régimes de fonctionnement: Régime linéaire ou triode S V GS >V T G V GD >V T V DS 0 D n+ n+ depletion region p inversion layer everywhere V GD = V GS -V DS Mobilité d'électrons source-drain courant électrique V GS Q n, I D V DS E y, I D V DS >> V GS -V T

9 Trois régimes de fonctionnement: Régime de saturation V DS >V GS -V T V GS > V T, V GD < V T ---> V DS > V GS -V T S V GS >V T G V GD <V T D n+ n+ depletion region p inversion layer "pinched-off" at drain side I D est indépendant de V DS : I D =I dsat Le champ électrique dans le canal ne peut plus augmenter

10 Fonctionnement : MOS conducteur (Régime de saturation ) Vg > V T ; V D > V S ; V DS >V GS V T = V DSsat Le canal du transistor prend une forme parabolique (triangulaire pour de très faibles tensions V DS ) en première approximation dont la pointe rejoint l'extrémité du drain. Les charges sont propulsées au travers de la ZCE séparant cette pointe du triangle et le drain. V DSsat =V GS V T est appelée la tension de saturation drain-source. Le courant correspondant I Dsat est appelé courant de saturation.

11 3. Caractéristiques I-V (V SB =0) GGéométrie 11D : TToutes les tensions référencées à la Source expression générale du courant dans le canal Le courant va uniquement dans la direction y: Courant total dans le canal (vy=vitesse=dy/dt) I y = W Q n (y) v y (y) Le courant de Drain est l'opposé du courant de canal: I D = W Q n (y) v y (y)

12 I-V (suite) I D = W Q n (y) v y (y) Rré-écriture de l'équation en termes de tension au point y, V(y): Si le champ électrique n'est pas trop élevé : v y (y)= µ n E y (y)=µ n dv dy Pour Qn(y), relation de contrôle de charge en y: [ ] Q n (y) = C ox V GS V(y) V T Rdq=-C 0x (W. dy)) (V GS -V(y)-V T ) (Charge infinitésimale) I D = dq/dt = (dq/dy). (dy/dt) Pour V GS V(y) V T.. N Note : on supppose VVt indépendant de y : Voir l'effet de substrat plus tard L'équation générale donne donc : I D = W µ n C ox [ V GS V( y) V T ] dv(y) dy EEquation différentielle simple du premier ordre avec une inconnue,: la tension de canal V(y).

13 I-V (suite) RRésolution par séparation des variables: I D dy = W µ n C ox [ V GS V(y) V T ] dv Intégration le long du canal en régime linéaire avec les conditions auxx limites suivantes : - Source: y=0, V(0)=0 - Drain: y=l, V(L)=V DS (régime linéaire) :AAlors: : L I D dy 0 V DS = W µ n C ox [ V GS V(y) V T ] dv Ce qui donne : I D y 0 L [] 0 = ID L = W µ n C ox V GS V 2 V T V 0 V DS I D = W L µ nc ox V GS V DS 2 V T V DS

14 I-V (Suite ) I D = W L µ nc ox V GS V DS 2 V T V DS pour V DS < V GS V T VVariations: V DS I D (Champ électrique latéral plus fort) V GS I D (Concentration d'e- plus forte) C'est le régime linéaire ou triode ou quadratique Linéaire si V DS <<V GS -V T

15 I-V (suite.) Deuxx remarques importantes 1. Equation valable ssi V GS V(y) V T pour tout y. Cas + défavorable est y=l, ouù V(y) = V DS L'équation est valable si V DS V GS V T

16 I-V (suite..) Quand VDS approche V GS -V t Cde ID diminue la "vitesse" d'augmentation CCause : QQuand on suit y sous le canal, V(y), Q n (y), et E y (y) ( moins de porteurs allant plus vite) La couche d'inversion se rétrécit entre source-drain I D augmente plus lentement.

17 Fonctionnement : MOS conducteur (Régime linéaire, régime quadratique ) V GS >V T ; V DS <V GS V T V GS >V T ; V DS << V GS V T

18 I-V (suite ) CCourant de saturation Pour V DS prenant comme valeur : V DSsat = V GS V T Augmentation de Ey est compensée par diminution de Qn I D sature quand Q n devient égal à 0 au Drain. Valeur du courant de saturation: I Dsat = I Dlin (V DS = V DSsat = V GS V T ) Alors I Dsat = W L µ nc ox V GS V DS 2 V T V DS V DS =V GS V T I Dsat = 1 2 W L µ nc ox [ V GS V T ] 2 On reparlera de la saturation plus tard

19 I-V Caractéristiques (Suite.) Caractéristiques de sortie Caractéristique de transfert

20 Caractéristiques "réelles" A suivre donc!

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