Bien qu'apparemment le fonctionnement du transistor MOS soit similaire à celui de son cousin bipolaire, le détail de l'analyse de son fonctionnement laisse apparaître de grandes divergences qui l'ont promulgué candidat unique à l'intégration des circuits intégrés numériques.
En 1930, L. Lilienfeld de l'Université de Leipzig dépose un brevet dans lequel il décrit un élément qui ressemble au transistor MOS (Métal Oxyde Semi-conducteur) actuel. Cependant, ce n'est que vers 1960 que, la technologie ayant suffisamment évolué, de tels transistors peuvent être réalisés avec succès. En particulier, les problèmes d'interface oxyde-semiconducteur ont pu être résolus grâce à l'affinement de la technologie dans le domaine bipolaire, affinement requis pour obtenir des transistors de meilleure qualité. Aujourd'hui le transistor MOS constitue, par sa simplicité de fabrication et ses petites dimensions, l'élément fondamental des circuits intégrés numériques à large échelle.
Pour ce dispositif un canal réel est créé entre la source S et le drain D , la grille G est déposé sur une couche d' aluminium .
Pour le cas du canal n à appauvrissement , lorsque la grille n' est pas polarisée , Id est maximal .La jonction n-p est bloquée en inverse et l' épaisseur de la zone désertée dépend de Vds .Jusqu' à Vdsat la loi d' ohm peut s' appliquer , au delà le canal est saturé et Id n' augmente plus malgré l' augmentation de Vds .
En polarisant la grille négativement ,le champ produit repousse les électrons du canal , ce qui réduit Id à la saturation Vdsat .C' est bien un appauvrissement de Id en fonction de -Vgs .
Le dispositif le plus utilisé reste le transistor MOS canal n ou p à enrichissement .
Cas du canal p : La plaquette de silicium est dopée n , c' est le subtrat .Deux zones p source S et drain D sont diffusées dans la zone n . On dépose une couche isolante sur le silicium puis une couche d' aluminium pour la grille .
La logique à transistors MOS
Elle porte ce nom générique (MOS, CMOS,
HCMOS, ...). Elle est généralement plus lente que la logique
bipolaire, mais elle consomme moins de courant sur l'alimentation
.Cette consommation étant due essentiellement aux capacités
internes, elle augmente avec la fréquence de travail.
Un montage de base, un étage de sortie CMOS :
Inconvénients des MOS
Trés sensible aux charges statiques qui peuvent percer le diélectrique de la grille de commande .Ils doivent être manipulés en prenant soin de réunir leurs électrodes à la masse de ne pas les tenir à la main sans avoir pris soin de ce décharger sur un support métallique et d' utiliser un fer à souder basse tension ou de le débrancher du secteur avant de les souder .
Tous les potentiels sont référés à celui de l'électrode de substrat. On désigne par mode F le mode de fonctionnement dans lequel le potentiel de drain VD est différent de zéro et par mode R le mode de fonctionnement dans lequel le potentiel de source VS est différent de zéro.
On désigne par Vs la valeur particulière du potentiel à l'interface oxyde-semiconducteur. On lui donne le nom de potentiel d'interface.
2.2.1. Flat-Band
La condition flat-band est déterminée par le fait que le potentiel d'interface V est nul. Dans la figure 5, on a représenté les charges dans un transistor n-MOS en condition flat-band. On remarque, en particulier, que les deux jonctions substrat-source et substrat-drain sont bloquées.
Dans la même figure, on montre le potentiel énergétique pour les électrons. On constate que, ni les électrons de la source, ni les électrons du drain, n'ont une énergie suffisante pour pénétrer dans le substrat. De même, les trous du substrat n'ont pas une énergie suffisante pour pénétrer dans les électrodes de source et de drain.
2.2.2. Forte
inversion
Si l'on augmente le potentiel de grille, un champ électrique va repousser les trous loin de l'interface oxyde-semicon-ducteur et le potentiel dont il découle va progressivement augmenter le potentiel d'interface (diminution du potentiel énergétique d'interface pour les électrons) jusqu'à ce que les jonctions substrat-source et substrat-drain conduisent. On admet qu'elles conduisent lorsque le potentiel à leur anode vaut Vj. Les électrons de la source, comme ceux du drain, peuvent alors passer la barrière de potentiel et se répendre le long de l'interface oxyde-semiconducteur, formant une nappe qui relie la source au drain (Fig. 6). Le trous ayant été repoussés de l'interface oxyde-semiconducteur, il n'y aura pas d'injection de trous du substrat dans les deux électrodes drain et source.
2.2.3. Conduction
En conduction, le deux jonctions substrat-source et substrat-drain conduisent toutes les deux. Cependant, on augmente le potentiel d'une des électrodes (Drain en mode F, source en mode R), ce qui a pour conséquence de faire varier le potentiel d'interface entre la source et le drain, ce potentiel suivant les potentiel de source et de drain à une tension de jonction près aux extrémités du canal (Fig. 7). De la variation du potentiel d'interface découle un champ électrique qui aura pour effet de pousser les électrons vers une des extrémités du canal (vers le drain en mode F et vers la source en mode R).
2.2.4. Saturation
Le transistor MOS atteint la saturation lorsqu'on a suffisamment augmenté le potentiel de l'une des électrodes, drain (en mode F) ou source (en mode R), pour que la jonction substrat-électrode correspondante se bloque. Le flux d'électrons, et par conséquent le courant correspondant, n'est plus tributaire alors que du potentiel de l'électrode qui injecte et du potentiel de grille (Fig.8). Vu de l'électrode dont la jonction est bloquée, le transistor MOS se comporte alors comme une source de courant.
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