Structure MOS – transistor MOSFET Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

plan Structure Métal Oxyde Semi-conducteur Différents régimes: Accumulation Désertion – Déplétion Faible inversion Forte inversion : tension de seuil de la structure Capacité de la structure MOS Idéale Structure MOS réelle Présence de charge dans l’oxyde Différence des travaux de sortie Transistor MOS-FET Inverseurs à transistor MOS-FET Inverseurs N-MOS Inverseur C-MOS Ph.Lorenzini

Structure Métal Oxyde Semiconducteur Capacité MOS Diagramme énergétique hors équilibre Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Mise en équilibre de la structure EF Métal SC EV EC Métal SC eVd EC EF EF EV dx Système indépendant Système à l’équilibre Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Les différents régimes de fonctionnement : f(travaux de sortie) Accumulation Flat band Désertion – déplétion Faible inversion Forte inversion Ph.Lorenzini

Les différents régimes de fonctionnement : f(Vg) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Champ, potentiel et charges dans le silicium On se place dans le cas d’un semi- conducteur de type p: Attention: dans certains ouvrage, la définition est sans la valeur absolue !!!! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Champ, potentiel et charges dans le silicium Équation de Poisson: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Champ, potentiel et charges dans le silicium Ph.Lorenzini

Champ, potentiel et charges dans le silicium on intègre cette équation depuis de le volume (« bulk ») vers la surface V(x=« bulk »)=0 et Or le champ électrique est donné par: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Champ, potentiel et charges dans le silicium Avec la longueur de Debye: En utilisant le théorème de Gauss: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Champ, potentiel et charges dans le silicium Pour Vs (donc Vg) négatif (accumulation) Pour Vs (donc Vg) positif mais inférieur à 2Ffi (déplétion – faible inversion) Pour Vs (donc Vg) > 2Ffi (forte inversion) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Seuil de forte inversion Critère pour le seuil de forte inversion: ns=p0=NA Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Mesure de la capacité de la structure MOS idéale V(t)=sin(wmt) ~ wP Détection synchrone (« lock in amplifier ») R i vref MOS t VG + V(t) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Lorsque l’on applique une tension Vg sur la grille, celle ci se répartie entre l’oxyde et le SC: M O S Vg Vox VSC L’oxyde et le SC se comporte comme des capacités Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Capacité d’oxyde: Elle s’exprime également par : Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Capacité du semi-conducteur Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Capacité globale de la structure: Soit encore en combinant les 3 expressions: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Mesure de la capacité de la structure MOS idéale La charge dans le SC dépend du régime de fonctionnement 2 types de charges, fixes et mobiles: Soit encore: Ph.Lorenzini

Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Soit en résumé : la capacité MOS est la mise en série de 2 capacités, dont l’une variable est la mise en // des capacités image du SC: Cox Csc Cs Cdep Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Conclusion: la capacité de la structure complète est fonction au travers de CSC du régime de fonctionnement ,ie de la polarisation VG. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacité de la structure MOS idéale Régime d’accumulation: VS<0 ie VG<0 kT=26 meV, VS:0,3 V à 0,4 V en acc,  dès que VG>-1 à –2 V, CMOS = Cox Ph.Lorenzini

Capacité de la structure MOS idéale Régime de bandes plates: VS =0 V ie VG=0 V (Attention : ici structure idéale !!!!!) Calcul analytique: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacité de la structure MOS idéale Régime de déplétion et de faible inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) Ph.Lorenzini

Capacité de la structure MOS idéale accumulation dep ??? Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacité de la structure MOS idéale Régime de forte inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) Quel est le mécanisme de formation de cette couche d’inversion ? SC type p: on doit créer des électrons à l’interface oxyde – SC. D’où proviennent-ils? Métal : NON il y a l’oxyde SC (région neutre) : NON ce sont des minoritaires +ZCE Seule solution : génération thermique ou optique Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacité de la structure MOS idéale Régime de forte inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) Où se passe la génération ? Dans la ZCE + évacuation des charges par le champ électrique Dans la zone neutre du SC C’est le premier phénomène qui domine, mais il est « lent ». Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacité de la structure MOS idéale Régime de forte inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) Calcul du temps de création de la couche d’inversion: La limite de forte inversion : nS = NA En fait : Ph.Lorenzini

Capacité de la structure MOS idéale Lors de la mesure de C(V), le résultat dépend si oui ou non on « laisse le temps » à cette couche de se former et d‘évoluer: si oui, on la mesure si non, c’est la couche de déplétion qui assure la neutralité par augmentation de sa largeur. Tout dépend de la fréquence de mesure Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacité de la structure MOS idéale: forte inversion 3 cas : Basse fréquence + Rampe lente de Vg Haute fréquence + Rampe lente de Vg Haute fréquence + Rampe rapide de Vg x Q x Q x Q Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacité de la structure MOS idéale: forte inversion Capacité minimum (HF): BF HF Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacité de la structure MOS idéale: forte inversion Gate-Controlled Diode Dans cette configuration, si Vg > VT, même en HF, la couche d’inversion suit la modulation de grille car « réservoir » par l’implantation n. Vg n+ p n ou p C(V), I(V) Technique de caractérisation pour les propriétés d’interface (mobilité du canal, …) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Structure MOS : cas réel 2 facteurs modifient le modèle « idéal » de la capacité MOS. Présence de charges dans l’oxyde ou à l’interface Oxyde – SC. Différence des travaux de sortie Métal et SC Influence sur la tension de seuil VT de la structure. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

MOS réel : charges dans l’oxyde Répartition des charges dans l’oxyde: Charges ioniques mobiles Charges piégées dans l’oxyde Charges fixes dans l’oxyde Charges piégées à l’interface Si-SiO2 K+ Na+ Ioniques mobiles SiO2 - - - - + + + + piégées + + + + + SiOx x x x x Si En fonction de leur position dans l’oxyde, ces charges auront une influence plus ou moins grande sur la population électronique sous la grille. Ph.Lorenzini

MOS réel : charges dans l’oxyde Effet d’une charge pelliculaire dans l’oxyde sur le potentiel de surface: Oxyde x r(x) Vg=0V Si Métal x1 Q La charge dans l’oxyde est compensée par une charge dans le métal et le SC. x r(x) Vg=Vfb dox -Q Q Si Vg=Vfb, par définition la charge dans le SC est nulle. Seul le métal fait « le travail » pour compenser la charge dans l’oxyde. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

MOS réel : charges dans l’oxyde À partir du théorème de Gauss: x1 E x : Champ induit dans l’oxyde : tension induite par ce champ et supportée par la grille Si la répartition est non uniforme: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

MOS réel : charges dans l’oxyde L’influence est maximum lorsque les charges sont situées à l’interface Oxyde – SC, ie Qox=QSS . En général, pour simplifier l’écriture, on introduit une charge équivalente d’oxyde par unité de surface: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

MOS réel : charges dans l’oxyde Ces charges dans l’oxyde et à l’interface oxyde – SC modifient la capacité totale de la structure. On montre que la capacité associée est en parallèle avec la capacité du silicium (SC): Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET MOS réel Différence des travaux de sortie Métal et SC. Même si Vg = 0 V, la structure n’est pas en bandes plates. eci Zone déplétée La tension à appliquer pour se ramener en bandes plates est VFB = fM – fS = fMS Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

MOS réel Différence des travaux de sortie Métal et SC. Exemple: grille en polysilicium n+ sur structure p-MOS Ph.Lorenzini

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET MOS réel Tension de bandes plates globale ( effets de fMS et charges dans l’oxyde) Att! C’est la tension à appliquer sur la grille pour amener la structure en situation de bandes plates. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Tension de seuil de la structure MOS Paramètre essentiel pour le fonctionnement du MOS-FET Plusieurs définitions (même résultat !): nS = NA Vs = 2 ffi … Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Tension de seuil de la structure MOS C’est la tension à appliquer sur la grille pour amener la structure en limite de forte inversion. (On suppose ici que le substrat (le silicium) n’est pas polarisé !!) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Tension de seuil de la structure MOS Effet substrat (« body effect ») En général les dispositifs MOS sont réalisés sur un substrat commun  la tension substrat est égale pour tous Dans certains montages l’arrangement des portes entre elles entraîne des tensions source – substrat non nulles qui vont modifier le VT . On introduit un coefficient qui rend compte de cet effet : g Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Tension de seuil de la structure MOS Effet substrat (« Body effect ») Si Vsb=0, la condition d’inversion est donnée par Vs=2FFi Si on applique VSB , cette tension de surface Vs est augmentée de VSB et la largeur de la ZCE dans ces conditions est donnée par: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Tension de seuil de la structure MOS Cette augmentation de la ZCE (pour absorber l’excédent de tension VSB ) entraîne une charge supplémentaire Soit une sensibilité dVT/dVSB : On réécrit alors VT: avec Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Tension de seuil de la structure MOS Pour assurer une dérive positive de la tension de seuil, il faut appliquer une tension source-substrat inverse Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Tension de seuil de la structure MOS Effet de la température: Modification du « gap » Modification de FFI Dans le cas de structure avec grille poly-silicium n+: m=1.1 Valeur typique : augmentation du courant à l’état bloqué d’un facteur 30 à 50 fois entre 25°C et 100°C. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Le transistor MOS-FET Fonctionnement Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Étapes technologiques (succint) Étape : implantation source et drain Étape : dépôt du Polysilicium (métal de grille) Étape : gravure du poly sauf grille Étape : dépôt de l’isolant SiO2 Étape : ouverture des fenêtres pour dépots contacts ohmiques Source et Drain Étape : évaporation du métal Étape : etching du métal non nécessaire Étape : gravure de l’oxyde pour implantation source et drain Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Le transistor MOS-FET Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Principe de fonctionnement: régime linéaire Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Principe de fonctionnement: limite de saturation pincement Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Principe de fonctionnement: transistor saturé La longueur effective du canal diminue de L à L’ Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Calcul du courant de drain L, longueur du canal (suivant y) W, largeur du canal (suivant z) V, tension dans le canal (dépend de y) V(y=0) = V(source) = Vs = 0 V V(y=L) = V (drain) = Vds Vg, tension appliquée sur la grille -VBS, tension sur le substrat Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Schéma simplifié du MOS (Taur) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Approximation de la charge surfacique Calcul analytique: Charge d’inversion surfacique (xi=0) Pas de potentiel Pas de courbure Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Approximation de la charge surfacique 1° étape: calcul de la charge d’inversion en fonction de Vg Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Approximation de la charge surfacique Le courant est donné par la loi d’ohm: IDS = densité de charge mobilité x champ électrique x largeur de grille Il suffit alors d’intégrer de y = 0 à y = L, soit  Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Approximation de la charge surfacique Soit finalement: !! Cox est une capacité par unité de surface !! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Les différents régimes de fonctionnement On peut distinguer deux régimes en fonction de la tension de polarisation de grille Vg : le régime « linéaire » ou « triode » qui correspond à une augmentation linéaire du courant avec VDS puis un un régime sous linéaire jusqu’à atteindre une valeur de saturation d’où le nom de régime « saturé ». Attention: ces dénominations ne peuvent pas être rapprochées de celles du bipolaire! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Régime linéaire ou triode Dans le cas où Vds est petite (Vds<< 2FFi), on peut négliger le terme quadratique en Vds et faire un développement en série du terme (1+Vds/2FFi)^3/2 qui apparaît. On obtient: On rappelle que VT est la tension de seuil du transistor. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Régime linéaire ou triode Dans le cas où le terme quadratique ne peut plus être négligé, l’équation ( qui est alors valable tant que le transistor n’est pas saturé) donnant le courant s’écrit: avec Cdm est la capacité de déplétion dans le Si en limite de forte inversion. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Régime saturé L’équation précédente est une parabole. Le courant Ids augmente donc en fonction de Vds pour atteindre un maximum qui donne Vdsat. En se rapprochant de la réalité (oxyde mince et dopage faible), on a m=1 et : Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Régime saturé En ne faisant pas les approximations (DL et autres …), les expressions complètes de Vdsat et Idsat sont données par: En supposant Cox grand (oxyde mince) et dopage faible, l’expression de la tension de seuil peut se réduire à ou encore Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Cas du p-MOS Toutes les polarités doivent être inversées. Un courant de trous circule de la source vers le drain. La source est à un potentiel plus élevé que les autres contacts. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Caractéristique sous le seuil – régime faible inversion Trois régimes de fonctionnement: Linéaire Saturé Bloqué (si Vg < VT pour nMOS) Le passage « bloqué » - « linéaire » ou OFF-ON n’est pas brutal Régime de faible inversion pour Ffi <Vs <2FFi Comportement sous le seuil important: Application basse tension Application faible puissance (low power) Circuits mémoires et logique Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Caractéristique sous le seuil – régime faible inversion Conduction sous le seuil dominé par courant de diffusion. On montre que le courant, dans ce régime, peut se mettre sous la forme: Dès que Vds > qq kT, Ids ne dépend plus de la tension Vds Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Effet substrat et température sur la tension de seuil du transistor Effet substrat ou « body effect »: La connexion du substrat (composant 4 pattes!) est largement utilisée dans les applications mémoires et numériques Cette polarisation Vsb entraîne un décalage de VT Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Effet substrat sur la tension de seuil du transistor Source n+ Drain n+ Vg Vds VSB Vg-VSB Vds-VSB -VSB Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Effet substrat sur la tension de seuil du transistor Avec une tension VSB, la charge d’inversion s’écrit: Le courant se calcule de la même façon que précédemment et l’expression dans la région linéaire est identique à condition de remplacer VT par: !! Dans un pMOS, remplacer les + par des - !! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Effet substrat sur la tension de seuil du transistor Conclusion: Une dérive positive de la tension de seuil dans le cas d’un n-MOS sera obtenue par une polarisation VSB > 0. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Effet de la température sur la tension de seuil du transistor La température influe sur VT par 2 voies: La valeur du gap La valeur de fFi Valeurs typiques: pour le Si: Cela induit une variation du courant sous le seuil (30 à 50 fois entre 25°C et 100°C ) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Effets « parasites » sur les MOS-FETs réels MOSFETs canal long: Variation de la mobilité dans le canal MOSFETs canal court: Réduction de la tension de seuil Régime de saturation de la vitesse des porteurs Modulation de la longueur du canal Claquage du transistor Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Variation de la mobilité: 2 processus L’augmentation de Vgs « creuse » le puits les porteurs se « collent » à l’interface où les défauts (cristallins, impuretés, …) sont plus nombreux  processus de diffusion augmentent  mobilité chute. vitesse de saturation Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Variation de la mobilité: 2 processus Si VDS > EC.L  le courant sature à une valeur donnée par : Dans le cas où l’on tient compte des deux effets, la mobilité est donnée par: Effet du champ transversal Effet de la saturation de la vitesse Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Réduction de la tension de seuil (canal court) (Kang et al) Origine: surestimation de la région déplétée sous la grille surestimation de la charge  surestimation de la tension de seuil D’autant plus important que le rapport xj/L est grand  MOSFET à canal court

Réduction de la tension de seuil (canal court) (Kang et al) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Réduction de la tension de seuil (canal court) (Kang et al) La tension de seuil est fonction: Longueur du canal Tension de polarisation Vds au travers de xdD Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Modulation de la longueur du canal Lorsque le pincement (saturation) est atteint, la longueur effective du canal diminue. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Claquage du transistor 2 effets: Claquage par ionisation – effets des électrons chauds: Accélération des électrons dans le canal Ionisation par impact Trous créés collectés par le substrat Polarisation de substrat et chute tension de seuil Augmentation du courant Dégâts irrémédiables (dégradation de l’oxyde) Claquage par perçage (« punchthrough »): ZCE S-Subs et D-Subs se rejoignent lorsque Vds augmente Injection directe des électrons de S vers D  pas de saturation de courant Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Claquage du transistor Claquage par ionisation (Taur) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacités associées au MOSFET Connaissance nécessaire pour examiner le comportement AC du composant Plusieurs origines: Capacités liées à l’oxyde de grille Capacité de recouvrement CGS et CGD Capacité source-substrat, drain-substrat ( ) Capacité grille-substrat ( ) Capacités des jonctions source – substrat et drain – substrat ( ) Dépendent du régime de fonctionnement Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacités associées au MOSFET Modèle équivalent (sans les capacités de recouvrement) Modèle équivalent (avec les capacités de recouvrement (overlay)) Cdb MOSFET intrinsèque (DC) Cgb Cgd Cgs Cdb Csb S D G B Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacités associées au MOSFET Capacité de recouvrement: Soit LD, la longueur de recouvrement L=LM - 2.LD LM L LD (n+) gate Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacités grille - canal Régime bloqué: Régime linéaire Régime saturé Cgs = Cgd = 0 Cgb = CoxWL canal canal Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Capacités d’oxyde: résumé Bloqué Linéaire saturé Cgb(total) Cgd(total) Cgs(total) CoxWL CoxWLD Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Caractéristiques dynamiques (1) Conductance: Linéaire Saturé Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Caractéristiques dynamiques (2) transconductance:liée à la vitesse du dispositif Linéaire Saturé (« active région ») Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Caractéristiques HF Fréquence de coupure gain en courant=1 Si on néglige jwRLCgd (petit) CM : capacité Miller Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Caractéristiques HF Si CM = 0  fréquence de coupure max: ou (si canal court et/ou vsat ) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Caractéristiques HF: foscmax Autre facteur de mérite: gain en puissance unitaire  fréquence d’oscillation max Rg: résistance de grille Rs : négligeable Ref: (Tsividis) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseurs à transistors MOS Les différents montages Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur idéal : définition Tension d’entrée: Vin Tension de sortie: Vout Tension de seuil d’inversion:Vth=VDD/2 Niveau logique « 1 » : VDD<V<Vth Niveau logique « 0 »: Vth<V<0 Passage le plus abrupte possible Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur: circuit générique Charge: passive ou active (MOS) « pilote », « driver » ou « commande » Cload :capacité équivalente de l’étage suivant Tension d’entrée : Vin=Vgs Tension de sortie: Vout=Vds En statique, pas de courant d’entrée ni de sortie Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur: caractéristique de transfert En résolvant numériquement IDS ( Vin ,Vout )=IL( VL ) on obtient la caractéristique de transfert : Vout = f ( Vin ) Tensions caractéristiques: VIL : tension d’entrée maximale qui peut être interprétée comme un « 0 » VIH : tension d’entrée minimale qui peut être interprétée comme un « 1 » VOL : tension minimale de sortie lorsque la sortie est au niveau bas VOH : tension maximale de sortie lorsque la sortie est au niveau haut a Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseurs: marges de bruit (« noise margins ») Les interconnexions, le « bruit » des portes peuvent rajouter des tensions parasites  fautes logiques. On introduit, pour quantifier l’immunité au bruit la notion de marges de bruit. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseurs: marges de bruit (« noise margins ») Zone à réduire  VIL=VIH  se rapprocher de la forme idéale  un échelon. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseurs à charge résistive n-MOS enrichissement Vin=VGS Vin=« 1 »: n-MOS conducteur  le drain est mis à la masse Vout = « 0 » Vin=« 0 »: n-MOS bloqué  circuit ouvert  IL = IDS = 0  Vout= VDD= « 1 » RL CL Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseurs à charge passive (résistive) : caractéristique de transfert Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge passive : ( À faire ! ) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge active saturée N-MOS connecté en résistance: Ici VGS = VDS , donc VGS -VT < VDS  transistor saturé Ligne de charge Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge active saturée Les points représentatifs de la ligne de charge sont donnés par : VGS = VDS Le transistor de charge est équivalent à une résistance non linéaire. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge active saturée La résistance de charge remplacée par un nMOS + VDD Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge active saturée ID2, µA VDS2 VDS1=VDD - VDS2 = 6 - VDS2 75 2 75 4 VDS1 = 6 – 4 = 2 V ID2 = 75 µA = ID1 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge active saturée (d’après Grabel) B A NMH = VOH -VIH = -0.2 V <0 En jouant sur W/L, on peut améliorer la caractéristique. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge active non saturée Transistor de charge non saturée: VGS,load – VT,load >VDS,load (1) VGS,load –VDS,load = VGG – VDD (1) OK  VGG – VDD >VT,load la charge tjs « non saturée » Inconvénient : 2 alimentations !! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge active non saturée VGG = +9V VDD = +6V VGS1 VDS1 VGS2 - VDS2 =VGG – VDD = 3V VDS2 = VGS2 – 3V Résistance de charge Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur à charge active non saturée VDS1 = 6 – VDS2 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur nMOS à charge à déplétion VDD = +6V Pilote : enrichissement  VT,pilote >0 Charge : déplétion  VT,load <0  VGS,load =0 >VT,load VSB,load = VDS,pilote = Vout  VT,load sujet à l’effet substrat Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur nMOS à charge à déplétion VDS2 = 0 V, IDS2 = 0 µA VDS1 = 6 – 0 = 6 V VDS2 = 3 V, IDS2 = 22 µA VDS1 = 6 – 3 = 3 V

Inverseur nMOS à charge à déplétion ( à faire ! ) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur nMOS à charge à déplétion: consommation en DC. Vin = 0 et Vout = VOH  le « pilote » est bloqué et I=0. Pas de consommation Vin= VDD et Vout = VOL  les 2 transistors conduisent  consommation 50% au niveau « 1 » Rédhibitoire !! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS Technologie à transistors MOS complémentaires nMOS et pMOS. En fonction de l’état de l’inverseur( « 0 » ou « 1 »), les rôles de pilote et de charge sont inversés. Principal avantage : la consommation Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS S D D VGS,p -(VDD – Vin) VDS,p -(VDD – Vout) VGS,n Vin VDS,n Vout S Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS La complexité de la structure est largement compensée par le gain en performance. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS Att! VTn > 0 et VTp < 0 1° cas: Vin < VTn VGS,n < VTn  nMOS bloqué le courant est nul VGS,p < VTp  pMOS conduit Vout = VDD = VOH 2° cas: Vin > VDD + VTp VGS,n > VTn  nMOS conduit le courant est nul VGS,p > VTp  pMOS bloqué Vout = VOL = 0 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS Région Vin Vout nMOS pMOS A < VTn VOH Bloqué linéaire B VIL « 1 » VOH Saturé C Vth D VIH « 0 » VOL Linéaire E > (VDD + VT,p ) VOL bloqué Zone de consommation en commutation Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS ( à faire) ! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur C-MOS en commutation Effets des interconnections Cint représente les effets des connections entre les 2 portes Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur C-MOS en commutation Cload Pour simplifier l’étude, les capacités de l’étage suivant sont ramenées à une capacité équivalente Cload L’étude des transitoires se résume alors à la charge et décharge de cette capacité. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS en commutation : temps de retard, temps de montée et de descente Temps de retard ou de propagation: tPLH : temps de propagation du niveau bas au niveau haut. tPHL : temps de propagation du niveau haut au niveau bas. Temps de propagation du signal à travers l’inverseur: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Inverseur C-MOS en commutation : temps de retard, temps de montée et de descente Temps de montée et de descente: VOL VOH Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur C-MOS en commutation: Calcul du temps de retard ou propagation: Calcul du temps de descente: Vin passe de VOL à VOH nMOS passant et décharge Cload pMOS est bloqué  ID,p 0 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur C-MOS en commutation: Attention : en cours de commutation, le régime de fonctionnement des MOS change !! Dans notre cas, il faudra calculer 2 temps Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur C-MOS en commutation: On obtient finalement (à faire !) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur C-MOS en commutation Puissance dissipée sur une période pour une porte C-MOS: c’est la puissance qui sert à charger et décharger la capacité de charge Cload. À faire !! À faire !! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Inverseur C-MOS en commutation Autre source de consommation: le courant de court circuit: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET

Références bibliographiques S.M. Sze « Physics of semiconductors devices », 2° édition, Wiley and Sons, New York, 1981 H.Mathieu, « Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques », 4° édition, Masson 1998. J. Singh, « semiconductors devices : an introduction », McGraw-Hill, Inc 1994 Y.Taur et T.H. Ning, « Fundamentals of Modern VLSI devices », Cambridge University Press, 1998. K.K. Ng, « complete guide to semiconductor devices », McGraw-Hill, Inc, 1995 E. H. Nicollian et J. R. Brews, « MOS Physics and Technology », John Wiley and Sons, 1982 S.M. Kang et Y. Leblebici, « CMOS Digital Integrated Circuits :analysis and design », Mc Graw Hill, 2° édition., 1999 J. Millman et A. Grabel, « microélectronique », Mc Graw Hill, 1995 Les figures sont tirées en grande partie de ces différents ouvrages Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET