sciences et technologie de l'industrie et du developpement durable Technologie des circuits logiques SiN CI1 : circuits logiques 1. La technologie CMOS 1.1. Historique de la technologie CMOS Depuis la création du 1 er transistor (bipolaire) en 1947 par BARDEEN, BRATTAIN et SHOCKLEY (figure 1), puis à l'intégration de ces derniers (8 au total) dans un 1er circuit intégré en 1958 par KILBY et NOYCE (figure 2), la microélectronique n'a cessé de progresser en intégrant de plus en plus de transistors (figure 3) sur une même puce (plus de 10 9 ). figure 1 figure 2 figure 3 L'intégration suivait la loi de Moore jusqu'en 2010 grâce aux progrès des résiness photosensibles, de la lithographie en immersion ainsi que de l'optique. Aujourd'hui, cette miniaturisation atteintt ses limites, il devient en effet difficile de contrôler le dopage sur quelques nm. La technologie utilisée par les circuits logiques CMOS, au départ (dans les années 1960) quelque peu boudée vis à vis de la technologie bipolaire ou shottky a connu son essor à partirr des années 1970 avec le premier µprocesseur 4 bits (L'intel 4004) qui utilise des transistors MOS. L'intégration et la consommation des circuits étant bien meilleuree que pour la technologie bipolaire, les transistors MOS occupe 88% du marché des circuits d'électronique numérique. technologie_circuitcmos Lycée Jules Ferry Versailles 1/5
1.2. Le transitor MOS 1.2.1. Principe de fonctionnement d'un transistor MOS canal N ou P Le transistor Métal Oxyde Semiconducteur ou MOS est un dispositif permettant de conduire ou non le courant électrique en contrôlant la formation d un canal deporteurs (trous ou électrons) entre deux électrodes (la source et le drain). La formation du canal est commandée par un champ transverse créé par la polarisation d une troisième électrode isolée (la grille). Figure 4 : principe de fonctionnement d'un transistor MOS canal N La section du canal dépend de la tension appliquée entre la grille et la source, plus cette tension est importante plus la section l'est également. Le fonctionnement du transistor MOS canal P est similaire, mais les tensions et les courants sont inversés. 1.2.2. La technologie CMOS Comme son nom l indique, la technologie CMOS est basée sur l emploi complémentaire de deux transistors de types opposés pour réaliser les fonctions électroniques élémentaires (Figure 5): portes logiques, mémoire SRAM, miroir de courant,etc... On appelle NMOS le transistor de type N et PMOS le transistor de type P fonctionnant respectivement avec un canal d électrons et de trous. Lycée Jules Ferry Versailles 2/5
2. Essai d'une porte ET 4081B 2.1. Mise en œuvre du circuit Brochage : Montage d'essai CH1 VDD = 15V VGBF 0_15V f = 1kHz carré d= 50% non reliée & CH2 Relever VGBF(t) et Vout(t) à l'aide de l'oscilloscope. La tension de sortie Vout(t) est-elle rectangulaire et égale à VGBF(t)? Si tel est le cas, comment se comporte l'entrée non reliée? On rappelle qu'il s'agit d'une fonction ET. Peut-on laissée une entrée non reliée? Modifier le montage et relier l'entrée libre au +VDD au travers une résistance de Pull-up de 33k. Vérifier le fonctionnement. Lycée Jules Ferry Versailles 3/5
2.2. Caractéristique de transfert Modifier le signal du GBF et utiliser un signal triangulaire de fréquence 1kHz d'amplitude 0_15V. Relever la caractéristique de transfert du circuit Vout(Vin). En déduire les valeurs V ILmax et V Ihmin garantissant respectivement un niveau bas et un niveau haut en sortie. Comparer les valeurs mesurées avec celles données par le constructeur (télécharger le datasheet). Sont-elles conformes? Modifier la tension d'alimentation en passant à 5V et l'amplitude du GBF afin que le signal soit un signal triangulaire d'amplitude 0_5V. Reprendre l'ensemble des mesures précédentes. 2.3. Mesures dynamiques On se propose de mesurer les temps de commutations de la porte, pour cela on se réfère aux valeurs suivantes : Vin 50% de VDD Vout tm td 50% de VDD tplh tphl Relever en réalisant les réglages adéquats (alimentation et GBF) les temps de propagation et les temps de montée et de descente pour les différentes tensions d'alimentation suivantes : VDD tp HL t PLH t LH t HL 15V 10V 5V Comparer les valeurs mesurées avec les données constructeur. 2.4. Caractéristiques de sortie Montage : VDD = 15V 15V & V A Lycée Jules Ferry Versailles 4/5
Relever et tracer sous excel la caractéristique I OH (V DD - V out ). Comparer avec la courbe constructeur. A partir de quelle valeur de charge (valeur du courant) la tension de sortie ne garantira plus VIHmin? Proposer un montage permettant de relever la caractéristique de sortie I OL (V DD ). Le faire valider. Relever cette caractéristique I OL (V DD ). Comparer avec la courbe constructeur. A partir de quelle valeur de charge (valeur du courant) la tension de sortie dépassera V ILmax? Conclure sur les limites en courant d'une porte 4081B. 2.5. Mesure de consommation Mesurer à l'aide d'un µampèremètre la consommation statique d'un circuit 4081 à l'état bas en sortie, puis à l'état haut. Conclure sur l'un des avantages de ce type de technologie. Proposer un montage vous permettant de mesurer la consommation de ce même circuit en régime dynamique. Valider le éventuellement. 2.6. Analyse interne d'un porte. Le schéma interne est donné ci dessous, Etablir une analyse concise et clair afin d'expliquer le fonctionnement interne de cette porte logique. Vous pouvez pour cela utiliser une table de vérité, numéroter les transistors... Lycée Jules Ferry Versailles 5/5