LE TRANSISTOR MOS. Introduction. Description structurelle. Description comportementale. Quelques développements Analytiques. Exemples d'utilisation

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1 LE TRANSISTOR MOS Introduction Description structurelle Description comportementale Quelques développements Analytiques Exemples d'utilisation 1

2 INTRODUCTION Avant Actuellement Transistor à effet de champ: - Connu bien avant le bipolaire Technologie difficile à maîtriser Réponse en fréquence loin d'atteindre les performances actuelles - très dépendante des dimensions géométriques - du processus de fabrication Technologie MOS mieux maîtrisée Technologie MOS supplante Bipolaire: - Circuits logiques intégrés VLSI - Certaines fonctions analogiques. 2

3 Avantages du MOS vis-à-vis du bipolaire Coût technologique Coût de conception Coût d'exploitation Structure très simple (plus de 10 9 transistors sur 1 puce) Surface réduite Isolation naturelle - Composants vis-à-vis des composants voisins, - Pas de "caissons d'isolation» Limitation du nombre d'étapes de fabrication Structure très simple (BIS) Consommation très faible - En particulier pour les circuits CMOS Divers Très haute impédance d'entrée. Possibilité de réaliser des fonctions complexes - Moins de composants que les bipolaires - Exemple : les mémoires dynamiques 3

4 Description structurelle MOS :Metal Oxide Semiconductor Grille Metal ou Polysilicium SOURCE GRILLE METAL DRAIN SOURCE GRILLE POLYSILICIUM DRAIN OXYDE n+ n+ SEMICONDUCTEUR p OXYDE n+ n+ SEMICONDUCTEUR p SUBSTRAT SUBSTRAT 4

5 Caractéristiques électriques SOURCE GRILLE DRAIN n+ n+ MOS à Canal N p SUBSTRAT Oxyde fin Capacité ---> I G = 0 Dispositif symétrique Diodes polarisées en inverse Souvent, Source reliée au substrat Champ V DS implique courant S 5

6 Principe de fonctionnement SOURCE VGS > VT GRILLE DRAIN Canal n+ n+ VDS > 0 p SUBSTRAT Principe V GB > - Accumulation de charge à l'interface SiO2 - Apparition d'un canal N Champ électrique entre Drain et Source - Déplacement d'électrons dans le Canal N - Courant S 6

7 Symbole électrique d'un transistor MOS à canal n D D ID G I G = 0 V DS G IG = 0 B ID VGB S S D G I G = 0 ID B Substrat non représenté si au même potentiel que la source Trois modes différents de fonctionnements VGS = VGB Vision très épuré S 7

8 Observation des caractéristiques ID VGS > VT LINEAIRE 3 BLOQUE SATURE LINEAIRE SATURE VGS2 1 VT + V DS + 1/2. V DS V DS Caractéristiques de transfert Caractéristiques de sortie 8

9 Le mode bloqué = V GB est inférieure à (-2V... 2V) Pas d'apparition du canal. MOS ne conduit aucun courant (idem bipolaire) = 0 G I G = 0 < D = 0 V DS quelconque S Caractéristiques de transfert LINEAIRE 3 BLOQUE SATURE LINEAIRE SATURE Caractéristiques de sortie 2 1 < + V DS 9 V DS + 1/2. V DS

10 Le mode linéaire (ou mode de conduction) > & V DS < V DSsat = Canal non uniforme entre source et drain. Le transistor conduit =? (augmente avec la tension V DS ) G I G = 0 > D existe V DS > 0 & V DS < S Caractéristiques de transfert LINEAIRE 3 BLOQUE SATURE LINEAIRE SATURE 2 Caractéristiques de sortie 1 < + V DS V DS + 1/2. V DS 10

11 MOST en régime linéaire (linear mode) > 0V < V DS < V DSsat = G = b V DS ( - V DS 2 ) S D b = m Cox W/L K ou b = transconductance du MOST en A/V 2 ou µa/v 2, f(technologie, dimensions du MOS) n+ n+ p B m = mobilité des porteurs (- pour MOSTn et + pour MOSTp) Pas de PINCH-OFF (pincement) du canal dans ce mode 11

12 Le mode saturé D > & V DS >V DSsat = Canal existe avec pincement côté drain V DSsat varie avec et vaut: V DSsat = Le transistor conduit =? (augmente avec la tension V DS ) G I G = 0 > S sat V DS > V DSsat & V DSsat = Caractéristiques de transfert LINEAIRE 3 BLOQUE SATURE LINEAIRE SATURE 2 Caractéristiques de sortie 1 < + V DS V DS + 1/2. V DS 12

13 MOST en régime saturé (saturation mode) > G S D n+ n+ V DS > V DSsat p B PINCH-OFF (Pincement) du canal côté droit Le courant ne varie plus avec V DS = b 2 2 Ë ÁÁÊ ˆ 13

14 . Comparaison MOS & bipolaire BLOQUE SATURE I C Caractéristique de transfert LINEAIRE + V DS U j V BE + 1/2. V DS Linéaire > I C Saturé 3 V BE3 Caractéristique de sortie Saturé 2 Linéaire V BE2 1 V BE1 V DS 14 V CE

15 Résumé Caractéristiques de sortie: Mode linéaire vers mode saturé avec V DS croissantes Caractéristique de transfert: Mode saturé vers mode linéaire avec croissantes Mode saturé : V DS > V DSsat V DS > ou < V DS + Mode linéaire : V DS < V DSsat V DS < ou > V DS + 15

16 Caractéristiques électriques du p-mos VGS < 0 S Le mode BLOQUE : > & = 0 Le mode LINEAIRE : < & V DS >V DSsat G I G = 0 V DS < 0 = K.V DS ( - 1/2 V DS ) Le mode SATURE : < et V DS <V DSsat D D = K/2 ( ) 2 ID Tension de seuil négative. G IG = 0 B La tension de saturation V DSsat est aussi négative: V DSsat = ID VGB S 16

17 La technologie CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor n+ n+ p+ p+ n-most p-most p n CAISSON (WELL) SUBSTRAT (BULK) 17

18 EXERCICE 1 Inverseur logique nmos Calculer et tracer la caractéristique de transfert V 2 = f(v 1 ). V 2 V cc V cc droite V 2=V 1- v 1 V 2 R V cc = 5 V = 0,5 V k = 50 µa/v 2 R = 10 k? MOST n bloqué MOST n saturé MOST n linéaire V 1 V cc 18

19 EXERCICE 2 Inverseur logique pmos Calculer et tracer la caractéristique de transfert V 2 = f(v 1 ). V 2 V cc V cc = 5 V V G V D = -0,5 V V cc k = 50 µa/v 2 MOST p linéaire v 1 R = 10 k? MOST p bloqué R V2 MOST p saturé V 1 + V cc + V cc 19

20 EXERCICE 3 Inverseur logique CMOS Calculer et tracer la caractéristique de transfert V 2 = f(v 1 ). V cc V cc = 5 V V 2 n = 1 V p = -1 V K = 100 µa/v 2 MOST n bloqué MOST n saturé MOST p linéaire V 1 V 2 MOST p linéaire MOST n saturé MOST p saturé MOST n linéaire MOST p bloqué MOST n linéaire V CC V CC MOST p saturé V 1 V 1 = 0 V 1 = V CC p n V cc +p V cc Vcc 2 V 2 = V CC V 2 = 0 20