LE TRANSISTOR MOS

Introduction

Description structurelle

Description comportementale

Quelques développements Analytiques

Exemples d'utilisation

INTRODUCTION

Avant

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

Actuellement

Technologie MOS mieux maîtrisée

Technologie MOS supplante Bipolaire:

Circuits logiques intégrés VLSI
Certaines fonctions analogiques.

Avantages du MOS vis-à-vis du bipolaire

Structure très simple (plus de 109 transistors sur 1 puce)

Surface réduite

Isolation naturelle

Coût technologique

Composants vis-à-vis des composants voisins,

Pas de "caissons d'isolation!»

Limitation du nombre d'étapes de fabrication

Coût de conception

Structure très simple (BIS)

Coût d'exploitation

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

Description structurelle

MOS :Metal Oxide Semiconductor Grille Metal ou Polysilicium

SOURCE

DRAIN

SOURCE

GRILLE

METAL

GRILLE

DRAIN

POLYSILICIUM

OXYDE

SEMICONDUCTEUR

SUBSTRAT

Caractéristiques électriques

GRILLE

SOURCE

DRAIN

+ + + + + + + + + ++++

- - - - - - - - - - - - - -

MOS à Canal N

SUBSTRAT

Oxyde fin

Capacité ---> IG = 0

Dispositif symétrique

Diodes polarisées en inverse

Souvent, Source reliée au substrat

Champ VDS implique courant IDS

Principe de fonctionnement

VGS > VT

GRILLE

SOURCE

DRAIN

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - -

Canal

VDS > 0

SUBSTRAT

Principe

VGB > VT

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 IDS

Symbole électrique d'un transistor MOS à canal n

IG = 0

VGS

IG = 0

VGS = VGB

VDS

IG = 0

VGB

Substrat non représenté si au même potentiel

que la source

Trois modes différents de fonctionnements

Vision très épuré

Observation des caractéristiques

MODE

BLOQUE

MODE

SATURE

MODE

LINEAIRE

MODE

LINEAIRE

VGS > VT

MODE

SATURE

VT + VDS

VT + 1/2 . VDS

VGS

Caractéristiques de transfert

Caractéristiques de sortie

VGS3

VGS2

VGS1

VDS

Le mode bloqué

VGS = VGB est inférieure à VT (-2V ..... 2V)

Pas d'apparition du canal.

MOS ne conduit aucun courant

(idem bipolaire) ID = 0

IG = 0

VGS < VT

ID = 0

VDS quelconque

Caractéristiques de transfert

MODE

LINEAIRE

MODE

BLOQUE

MODE

SATURE

MODE

LINEAIRE

MODE

SATURE

Caractéristiques de sortie

VGS3

VGS2

VGS1

VT + VDS

VT + 1/2 . VDS

VGS

VGS < VT

VDS

Le mode linéaire (ou mode de conduction)

VGS > VT & VDS < VDSsat = VGS - VT

Canal non uniforme entre source et drain.

Le transistor conduit

ID = ? (augmente avec la tension VDS)

existe

VDS > 0

VDS < VGS - VT

IG = 0

VGS > VT

Caractéristiques de transfert

MODE

LINEAIRE

MODE

BLOQUE

MODE

SATURE

MODE

LINEAIRE

VT + VDS

VT + 1/2 . VDS

VGS

MODE

SATURE

Caractéristiques de sortie

VGS3

VGS2

VGS1

VGS < VT

VDS

MOST en régime linéaire (linear mode)

VGS > VT

0V < VDS!< VDSsat = VGS - VT

D = b VDS

( VGS

VDS

)

b = m Cox W/L

K ou b = transconductance du MOST

en A/V2 ou µA/V2 ,

f(technologie, dimensions du MOS)

m = mobilité des porteurs

(- pour MOSTn et + pour MOSTp)

Pas de PINCH-OFF (pincement) du canal dans ce mode

Le mode saturé

VGS >VT & VDS >VDSsat = VGS - VT

Canal existe avec pincement côté drain

VDSsat varie avec VGS et vaut: VDSsat = VGS - VT

IG = 0

IDsat

Le transistor conduit

ID = ? (augmente avec la tension VDS)

VGS > VT

V DS > VDSsat

VDSsat = VGS - VT

Caractéristiques de transfert

MODE

LINEAIRE

MODE

BLOQUE

MODE

SATURE

MODE

LINEAIRE

MODE

SATURE

Caractéristiques de sortie

VGS3

VGS2

VGS1

VT + VDS

VT + 1/2 . VDS

VGS

VGS < VT

VDS

MOST en régime saturé (saturation mode)

> V

VDS > VDSsat

PINCH-OFF (Pincement) du canal côté droit

Le courant ne varie plus avec VDS

D =

GS - V

Comparaison MOS & bipolaire

MODE

BLOQUE

MODE

SATURE

MODE

LINEAIRE

Caractéristique de transfert

VT + VDS

VT + 1/2 . VDS

VGS

VBE

VGS > VT

Caractéristique de sortie

MODE Saturé

VGS3

VGS2

VGS1

VDS

MODE Linéaire

VBE3

VBE2

VBE1

VCE

Résumé

Caractéristiques de sortie:

Mode linéaire vers mode saturé avec VDS croissantes

Caractéristique de transfert:

Mode saturé vers mode linéaire avec VGS croissantes

Mode saturé :

VDS > VDSsat

VDS > VGS - VT ou VGS< VDS + VT

Mode linéaire :

VDS < VDSsat

VDS < VGS - VT ou VGS > VDS + VT

Caractéristiques électriques du p-MOS

VGS < 0

IG = 0

Le mode BLOQUE : VGS >VT & ID = 0

VDS < 0

Le mode LINEAIRE : VGS <VT & VDS >VDSsat

ID = K.VDS (VGS - VT - 1/2 VDS)

IG = 0

VGB

Le mode SATURE : VGS <VT et VDS <VDSsat

ID = K/2 (VGS - VT )2

Tension de seuil VT négative.

La tension de saturation VDSsat est aussi négative:

VDSsat = VGS - VT

La technologie CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor

n-MOST

CAISSON (WELL)

p-MOST

SUBSTRAT (BULK)

EXERCICE 1

Inverseur logique nMOS

Calculer et tracer la caractéristique de transfert V2 = f(V1).

Vcc

Vcc = 5 V

VT = 0,5 V

k = 50 µA/V2

R = 10 k?

Vcc

MOST n

bloqué

droite V2=V1-VT

MOST n saturé

MOST n linéaire

V T

Vcc

EXERCICE 2

Inverseur logique pMOS

Calculer et tracer la caractéristique de transfert V2 = f(V1).

Vcc

V D

Vcc = 5 V

VT = -0,5 V

k = 50 µA/V2

R = 10 k?

Vcc

MOST p linéaire

MOST p saturé

MOST p

bloqué

+V T

Vcc+VT

Vcc

EXERCICE 3

Inverseur logique CMOS

Calculer et tracer la caractéristique de transfert V2 = f(V1).

Vcc

I D

Vcc = 5 V

VTn = 1 V

VTp = -1 V

K = 100 µA/V2

V CC

V1 = 0

V1 = VCC

V2 = VCC

V2 = 0

MOST n

bloqué

MOST p

linéaire

MOST n saturé

MOST p linéaire

MOST n saturé

MOST p saturé

MOST n

linéaire

MOST p

bloqué

MOST n linéaire

MOST p saturé

VTp

VTn

Vcc+VTp

Vcc