TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP DE TYPE MOS. Réalisation d une résistance active de valeur moyenne

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1 TRANITOR A EFFET E CHAMP E TYPE MO MO de type N à enrichissement du canal Fonctionnement et équations MO de type N à appauvrissement du canal Fonctionnement et équations ilan : Comparaison entre les deux types de MO canal N Montages à transistors MO Réalisation d une résistance acti de valeur moyenne Amplificateur source commune Amplificateur différentiel Amplificateur différentiel à charge acti Inrseur logique CMO Commutateur analogique Philippe ROUX 4

2 MO CANAL N TYPE ENRICHIEMENT ur un substrat de silicium P (ulk), sont aménagées deux diffusions distinctes de type N formant le drain et la source du dispositif. Ces deux diffusions N sont séparées par une zone P de surface (W.L) qui forme le canal du MO. Ce canal est recourt d une mince couche d oxyde de silicium e ox de l ordre de nm qui est superposée d une couche de métal ou de polysilicium appelée grille. L ensemble grille, oxyde et canal forme alors une capacité C ox par unité de surface telle que : C ox = ε ε io e ox ac : ε =8,85-4 F cm - et ε io = 3,9 ulk ource rille rain N Al i O P W N N L ubstrat P ulk V > VT I V i O épaisseur eox tructure du MO à enrichissement et symbole I (ma) V (V) I (ma) zone ohmique et de coude zone de plateau VT V (V) V (V) Figure : Caractéristiques de sortie et de transfert MO N enrichissement Le bulk et la source étant reliées, on applique entre et une tension V positi, constante et de valeur faible. Pour une tension V nulle, le courant I est très faible car la jonction PN drain-substrat est polarisée en inrse : Le transistor MO à enrichissement est normalement bloqué pour V nulle. Pour une tension V légèrement positi, une partie des trous dans la couche superficielle du canal, est repoussée dans le volume par le champ électrique créé par influence électrostatique. On définit alors une tension particulière de V, nommée tension de seuil V T pour laquelle tous les trous de la surface du ip sont repoussés et remplacés par des électrons (porteurs minoritaires dans le ip). Un canal induit, très mince de type N apparaît et le courant I commence à circuler entre drain et source (fig. ). Pour des tensions V supérieures à la tension de seuil V T, la couche inrsée s enrichit en électrons et le courant I s accroit. On décrit alors la zone ohmique du composant : I d est proportionnelle à V faible.

3 Ensuite, au fur et à mesure que V augmente, l accroissement de I se ralentit. On décrit la zone de coude des caractéristiques. En effet la tension entre grille et bulk diminue en se rapprochant du drain selon la relation Q = C V et le canal devient alors localement moins profond comme indiqué en figure 3. La résistance du canal augmente et cela d autant plus que V croît. Lorsque cette tension est telle que : V = V -V T = V AT, le courant I se sature (comme pour le JFET) et on atteint la zone de plateau des caractéristiques de sortie. Le MO est alors, pour V > V AT, une source de courant dépendante de la tension V. V < Vat Vat =V-VT V = VT I V > VT Isat N N N N ubstrat P (bulk) canal N induit ubstrat P (bulk) canal N induit Zone de charge d espace Zone de charge d espace Figure Figure 3 On distingue donc deux régions sur les caractéristiques de sortie I = f(v ) à V constant : La zone ohmique et de coude pour V < V AT où : I = K (V V T ) V V La zone de saturation du courant de drain I pour V V AT où : I = K V V T ( λv ) ac K = µ C OX W L Le coefficient K est un paramètre caractéristique du MO qui dépend de la géométrie du canal (W, C ox et L) et de la mobilité µ des porteurs. Le paramètre λ rend compte de la résistance interne de la source de courant I dépendante (identique à l effet Early pour le transistor bipolaire). Remarque : dans un circuit intégré, le produit µc ox est le même pour tous les transistors de type identique (N ou P) qui se distinguent seulement par les dimensions du canal W et L. Cette propriété est exploitée dans les circuit intégrés utilisant les transistors MO. MO CANAL N TYPE APPAUVRIEMENT La structure des transistors MO à appauvrissement ressemble à celle d un transistor MO canal N à enrichissement. Cependant pour ce dispositif, un canal N entre drain et source est créé par implantation ionique lors de la fabrication du composant (fig. 4). rille ulk ource rain I ubstrat P (bulk) N N Canal N implanté V V Figure 4 : tructure du MO N appauvrissement et symbole

4 Le MO N appauvrissement est normalement conducteur pour V = OV. I (ma) V (V) I (ma).5 V T appauvrissement enrichissement V (V) V (V) Figure 5 : Caractéristiques de sortie et de transfert MO N appauvrissement Pour rétrécir le canal, il faut l appauvrir en électrons, en repoussant ces porteurs par une tension V négati. Pour une tension V V T ( tension de seuil négati) il se rétrécit complètement et le MO est bloqué. on fonctionnement (figures 5 et 6) est tout à fait analogue à celui du JFET canal N ac une Z.C.E. à géométrie variable par influence électrostatique (au lieu d une Z.C.E. d une jonction bloquée). V < Vat Vat =V-VT V = VT I V > VT Isat N N N N ubstrat P (bulk) ubstrat P (bulk) Figure 5 Figure 6 Pour la zone de saturation du courant de drain I lorsque : V V AT = V -V T, l évolution du courant de drain est encore donnée par l équation : I = K V V T ( λv ) ac : K = µ C OX W L Remarque : La tension V peut être positi et dans ces conditions le transistor Mos entre dans une zone dite : mode enrichissement. 3

5 Normalement bloqué V ILAN : MO CANAL N Normalement conducteur V V > VT I V > VT I N N N N ubstrat P (bulk) canal N induit Zone de charge d espace ubstrat P (bulk) V > VT I V W/L VT.75 I (ma) zone ohmique et de coude zone de plateau V > VT I = K (V V T ) ( V ) I repos.5 P repos V repos V (V) V = VT V repos rds vgs gm vgs héma équivalent autour de Prepos g m ( K r ds n I I V ) V cte K I repos ( V repos ) C ox W L ( V I ) V cte V repos I repos 4

6 TRANITOR MO CANAL N ET P APPAUVRIEMENT ET ENRICHIEMENT P substrat ou ulk N N P P N CANAL N CANAL P 5 4 Caractéristique de transfert canal N I (ma) enrichissement 5 4 Caractéristique de transfert canal P enrichissement I (ma) 3 3 V (v) V (v) VT W L I VT W L I V > VT V positif V < VT V négatif CANAL N CANAL P Zone de saturation : V > VAT : I = K (V V T ) ( V ) K = n ( oup) C ox W L rds vgs gm vgs héma équivalent autour de Prepos g m = K I repos ( V repos ) K = r ds = n C ox W L V repos I repos 5

7 TRANITOR MO CANAL N NORMALEMENT LOQUE (ENRICHIEMENT) Expression de la tension drain source de saturation.75.5 I (ma) zone ohmique et de coude zone de plateau V (V) V (V) Vsat V ource Canal induit io rille Vox N V (sat) rain Pour une tension V donnée, lorsque la tension entre drain et source atteint V de saturation, le canal induit est localement pincé. ans ces conditions, la tension locale Vox aux bornes de l oxyde de silicium est égale à la tension de seuil VT du MO. Vox = VT = V - V (sat) V (sat) = V -VT

8 TRANITOR MO CANAL N À ENRICHIEMENT normalement bloqué V = V ulk ource rille rain I W V V > VT ubstrat P ulk N N N Al i O épaisseur eox nm L i O P TRANITOR MO CANAL N À APPAUVRIEMENT normalement conducteur pour V = V rille ource rain ulk W I V ubstrat P ulk Canal N implanté lors de la conception N N L V > VT N Al i O P

9 MONTAE A TANITOR A EFFET E CHAMP E TYPE MO Philippe ROUX 4

10 REALIATION UNE RÉITANCE E VALEUR MOYENNE MO CANAL N normalement bloqué I (ma) I 8 6 V (V) 5 4 V VT = V V 8 4 Ω Ω 5 Ω V (V) 3.5

11 AMPLIFICATEUR OURCE COMMUNE MO CANAL N NORMALEMENT CONUCTEUR VCC R I (ma) Transfert T 7.5 W/L VT = - V T I 5 R eg - V R R vs I P.5 VT V V (V) AMPLIFICATEUR OURCE COMMUNE CHARE ACTIVE (canal P normalement bloqué) V VCC I (ma) Transfert T Vpol T T I VT = -V I P R eg - V R R vs V (V) 4 3 V = Vpol -VCC vgs = gm vgs rds vs gm vgs R vgs eg - R R

12 AMPLIFICATEUR IFFERENTIEL : MONTAE CONVENTIONNEL VCC = 5 V R R vs vs T T I Ri - VEE = -5 V vgs vgs gm vgs gm vgs Ri vs R R vs A d = v s v s v e v e = g m R A d = v s v s v e v e = g m R g m R i R.R.M.C. R R i

13 MONTAE RECOPIEUR E COURANT V = 5 V MO canal P normalement bloqué V T = V K = ma / V I = ma V = V g m = m r ds = MΩ M3 I3 M4 V - V M5 ma ma I4 ma 3 IRef R5 v gs R3 kω R4 kω R5 3 kω r3 r4 Résistance de sortie vue par R3 ou R4 vgs nul AMPLIFICATEUR IFFERENTIEL A CHARE ACTIVE V = 5 V M3 ma M4 ma M5 vgs gm vgs vgs gm vgs M vs vs M ma 3 kω IRef R5 vs rds Ri rds vs I ma Ri -V = -5 V A d = g m r ds =

14 INVEREUR LOIQUE CMO V = 5 V : canal P VT = - V 5V i Ce VT = V T : canal N vs 5V T bloqué T passant T bloqué Courant i 5V vs T passant T bloqué T passant

15 COMMUTATEUR (PORTE ANALOIQUE ) MO canal N : V T = V 4 R ( Ω) R V (t) < 4 V 5 V RU vs (t) V R = V I = M ( V) K (V V T ) V Amplitude de Ve(t) V M(N) seuil : V M(P) seuil : - V V M M V < (t) < 4 V 5 V V RU vs (t) 4 Ω M ( V) R R R // R Amplitude de Ve(t)