2. FET à semi-conducteurs en oxyde métallique (MOSFET)

FET à semi-conducteurs en oxyde métallique (MOSFET)

Le FET à semi-conducteur à oxyde de métal (MOSFET) est un dispositif à quatre terminaux. Les terminaux sont les source (S), porte (G) et drain (D)L’ substrat or corps forme le quatrième terminal. Le MOSFET est construit avec la borne de grille isolée du canal avec un diélectrique en dioxyde de silicium. Les MOSFET peuvent être soit épuisement or mode d'amélioration. Nous définissons ces deux termes sous peu.

MOSFET: épuisement du canal n

Figure 1 - MOSFET à épuisement sur canal n

Les MOSFET sont parfois appelés IGFET (Transistors à effet de champ à porte isolée) en raison du SiO2 couche utilisée comme isolant entre la grille et le substrat. Nous commençons notre analyse par le MOSFET en mode épuisement. Tout comme les BJT peuvent être soit npn or PNP, Les MOSFET peuvent être soit ncanal (NMOS) ou pcanal (PMOS). La figure 1 illustre la structure physique et le symbole d’une nMOSFET d'épuisement du canal. Notez que le substrat est connecté au terminal source. Ce sera presque toujours le cas.

Le MOSFET à épuisement est construit avec un Physique canal inséré entre le drain et la source. En conséquence, quand une tension, vDS, est appliqué entre drain et source, un courant, iD, existe entre drain et source même si la borne de porte G reste non connectée (vGS = 0 V).

La construction du nMOSFET d'épuisement de canaux commence par psilicium dopé. le npuits de source et de drainage dopés forment des connexions à faible résistance entre les extrémités du n-canal, comme indiqué dans la figure 1. Une fine couche de dioxyde de silicium est déposée couvrant la zone située entre la source et le drain. Le SiO2 est un isolant. Une couche d'aluminium est déposée sur l'isolant en dioxyde de silicium pour former la borne de grille. En fonctionnement, un négatif vGS pousse les électrons hors de la région du canal, ce qui appauvrit le canal. Quand vGS atteint une certaine tension, VT, le canal est pincé. Valeurs positives de vGS augmenter la taille du canal, entraînant une augmentation du courant de drain. Le MOSFET à épuisement peut fonctionner avec des valeurs positives ou négatives de vGS. Puisque la porte est isolée du canal, le courant de la porte est négligeable (de l’ordre de 10- 12 UNE).

MOSFET: épuisement du canal p

Figure 2 - MOSFET à épuisement par canal p

La figure 2 est comparable à la figure 1, sauf que nous avons changé le nMOSFET d’appauvrissement de canaux à un pMOSFET d'épuisement du canal.

La nMOSFET d'amélioration de canal est illustré à la figure 3 avec le symbole de circuit. C'est la forme de transistor à effet de champ la plus utilisée.

MOSFET d'amélioration de canal n

Figure 3 - MOSFET d'amélioration de canal n

La nMOSFET de rehaussement de canaux diffère du MOSFET à épuisement par le fait qu’il n’a pas n-couche. Il faut une tension positive entre la porte et la source pour établir un canal. Ce canal est formé par l'action d'une tension grille à source positive, vGS, qui attire les électrons de la région du substrat entre le n-doped drain et la source. Positif vGS provoque l'accumulation d'électrons à la surface sous la couche d'oxyde. Lorsque la tension atteint un seuil, VT, un nombre suffisant d’électrons sont attirés dans cette région pour la faire agir comme un conducteur n-canal. Pas de courant de drain appréciable, iD existe jusqu'à ce que vGS dépasse VT.

La figure 4 est comparable à la figure 3, sauf que nous avons changé le nMOSFET d'amélioration de canal à un pMOSFET d'amélioration de canal.

MOSFET d'amélioration de canal p

Figure 4 - MOSFET d'amélioration de canal p

En résumé, la famille MOSFET présente les identifiants iD versus vGS courbes illustrées à la figure 5. Chaque courbe caractéristique est développée avec une tension drain-source suffisante vDS  maintenir le dispositif dans la région de fonctionnement normal du iD versus vDS courbes. La discussion dans les sections suivantes définira la tension de seuil VT pour les MOSFET d'amélioration et les MOSFET à épuisement.

Figure 5 -  iD versus vGS caractéristiques de la famille MOSFET pour une tension de source de drain suffisante VDS

Caractéristiques du terminal MOSFET 2.1 Enhancement-Mode

Maintenant que nous avons présenté la structure de base et la base de fonctionnement du MOSFET, nous utilisons une approche afin d'examiner le comportement du terminal du dispositif en mode d'amélioration. Commençons par faire quelques observations générales à partir de la figure 1. Pensez au flux normal de courant dans le MOSFET comme allant du drain à la source (tout comme dans le BJT, il se situe entre le collecteur et l'émetteur). Comme avec le npn BJT, il existe deux diodes dos à dos entre le drain et la source. Par conséquent, nous devons appliquer des tensions externes à la porte afin de permettre au courant de circuler entre le drain et la source.

Si nous mettons la source à la masse et appliquons une tension positive à la grille, cette tension est effectivement la tension grille à source. La tension de grille positive attire les électrons et repousse les trous. Lorsque la tension dépasse le seuil (VT), suffisamment d’électrons sont attirés pour former un canal conducteur entre drain et source. À ce stade, le transistor s'allume et le courant est fonction à la fois vGS et vDS. Il devrait être clair que VT est un nombre positif pour un npériphérique à canal, et un nombre négatif pour un pdispositif de canal.

Une fois qu'un canal est créé (c'est-à-dire vGS >VT), le courant peut circuler dans ce canal entre le drain et la source. Ce courant dépend de vDS, mais cela dépend aussi de vGS. Quand vGS dépasse à peine la tension de seuil, très peu de courant peut circuler. Comme vGS augmente au-delà du seuil, le canal contient plus de porteuses et des courants plus élevés sont possibles. La figure 6 montre la relation entre iD et vDS De vGS est un paramètre. Notez que pour vGS inférieur au seuil, aucun courant ne circule. Pour plus vGS, la relation entre iD et vDS est approximativement linéaire, indiquant que le MOSFET se comporte comme une résistance dont la résistance dépend de vGS.

Figure 6 -iD versus vDS pour un mode d'amélioration nMOSFET multicanal lorsque vDS est petite

Les courbes de la figure 6 ressemblent à des lignes droites. Cependant, ils ne continueront pas comme des lignes droites quand vDS devient plus grand. Rappelons qu’une tension de grille positive est utilisée pour créer le canal de conduction. Il le fait en attirant des électrons. La tension de drain positive fait la même chose. À mesure que nous nous approchons de l’extrémité drain du canal, la tension créant le canal vGS-vDS puisque les deux sources s’opposent. Lorsque cette différence est inférieure à VT, le canal n'existe plus pour tout l'espace entre la source et le drain. Le canal est contraint à la fin du drain, et augmente encore vDS n'entraînent aucune augmentation de iD. Ceci est connu comme la région d’exploitation normale ou saturation la région représentée à la figure 7 par la section horizontale des courbes caractéristiques. Lorsque la différence est supérieure à VT, nous appelons cela la triode mode, car les potentiels aux trois terminaux affectent fortement le courant.

La discussion précédente mène aux courbes de fonctionnement de la figure 7.

Figure 7 -iD versus vGS pour un MOSFET en mode amélioration

La transition entre la triode et la région d’opération normale (appelée région de saturation et souvent identifiée comme opération dans le mode de pincement) est indiquée par la ligne pointillée de la figure 7, où


(1)

À la limite de la région de la triode, les genoux des courbes suivent approximativement la relation,


(2)
Dans l'équation (2), K est une constante pour un appareil donné. Sa valeur dépend des dimensions de l'appareil et des matériaux utilisés pour sa construction. La constante est donnée par,


(3)
Dans cette équation, μn est la mobilité électronique; Coxyde, la capacité de l’oxyde, est la capacité par unité de surface de la porte; W est la largeur de la porte; L est la longueur de la porte. L’équation indique une relation compliquée et non linéaire entre iD et les deux tensions, vDS et vGS. Puisque nous aimerions que le courant de drain varie approximativement linéairement avec vGS (indépendant de vDS), le FET n’est généralement pas utilisé dans la région de la triode.

Nous souhaitons maintenant trouver une équation pour les courbes de fonctionnement dans la région de saturation. Nous pouvons établir les valeurs à la transition entre la triode et la région de saturation en évaluant l'équation (2) à la transition (coude). C'est,


(4)
Cette équation établit la magnitude du courant de drain à la limite (ligne pointillée de la figure 8) en fonction de la tension grille à source vGS. Si nécessaire, nous pouvons prendre en compte la légère pente des courbes caractéristiques dans la région de saturation en ajoutant un facteur linéaire.


(5)
Dans l'équation (5), λ est une petite constante (la pente de la section presque horizontale des courbes caractéristiques illustrées à la figure 8). Il est généralement inférieur à 0.001 (V-1). ensuite


(6)

Toutes nos discussions précédentes ont porté sur le transistor NMOS. Nous discutons maintenant brièvement des modifications nécessaires pour le PMOS. Pour PMOS, les valeurs de vDS sera négatif. De plus, pour créer un canal dans PMOS, .

Figure 8 - Caractéristiques de borne d'un transistor MOSFET

Le seul changement par rapport aux caractéristiques des transistors NMOS (figure 7) est que l’axe horizontal est maintenant -vDS au lieu de + vDS, et les courbes paramétriques représentent un courant de drain plus élevé lorsque la tension de grille diminue (au lieu d'augmenter pour le transistor NMOS). Les courbes d’augmentation des valeurs de courant correspondent à une tension de grille plus négative. Quand vGS > VT, le transistor est coupé. Pour l'amélioration du PMOS, VT est négatif, et pour l'épuisement PMOS, VT est positif.

L'équation du courant à la transition de région triode pour le transistor PMOS est identique à celle du NMOS. C'est,


(7)
Notez que vGS et vDS sont les deux quantités négatives. L'équation de la région de saturation dans le transistor PMOS est également identique à celle du NMOS. C'est,


(8)

Notez que λ est négatif pour les transistors PMOS car le taux de variation de la courbe () est négatif.

En prenant la dérivée partielle des deux côtés de l’équation (6) en ce qui concerne vGS, , on a


(9)
Nous préférons la valeur de gm être constant, en particulier pour les grandes oscillations du signal. Cependant, nous ne pouvons approcher cette condition que si nous utilisons le FET pour des applications de signaux faibles. Pour des conditions de signal importantes, la distorsion de la forme d'onde peut être inacceptable dans certaines applications.

MOSFET en mode d'appauvrissement 2.2

La section précédente traitait du MOSFET en mode amélioration. Nous opposons maintenant ceci au MOSFET en mode de déplétion. Pour le n- Mode d’amélioration du canal, pour acquérir un canal, nous avons dû appliquer une tension positive sur la grille. Cette tension devait être suffisamment importante pour forcer un nombre suffisant d'électrons mobiles à produire un courant dans un canal induit.

Figure 9 - MOSFET à canal n en mode épuisement

Dans le nMOSFET en mode de déplétion de canal, nous n'avons pas besoin de cette tension positive puisque nous avons un canal implanté physiquement. Cela nous permet d'avoir du courant entre les bornes de drain et de source même avec des tensions négatives appliquées à la grille. Bien entendu, il existe une limite à la quantité de tension négative qui peut être appliquée à la grille tout en ayant toujours un flux de courant entre le drain et la source. Cette limite est à nouveau identifiée comme la tension de seuil, VT. Le changement par rapport au mode d'amélioration est que la tension grille-source peut maintenant être soit négative soit positive, comme le montre la figure 9.

Les équations qui définissent le fonctionnement du MOSFET en mode épuisement sont très similaires à celles du mode d’amélioration. La valeur du courant de drain quand vGS est zéro est identifié comme IDSS. Ceci est souvent appelé le courant de saturation drain-sourceou de la zéro - courant de drain de grille. En comparant les équations du MOSFET en mode d’amélioration avec celles du mode d’épuisement, on trouve


(10)

Nous trouvons ensuite


(11)

Les MOSFET en mode épuisement sont disponibles sous forme discrète, ou ils peuvent être fabriqués sur des puces de circuits intégrés avec des types en mode amélioration. Cela inclut à la fois p-type et n-type. Cela permet plus de flexibilité dans les techniques de conception de circuit.

2.3 Circuit équivalent à grand signal

Nous souhaitons maintenant développer un circuit équivalent représentant les caractéristiques de signal large de la figure 8 [équation (5) ou (8)] dans la région de saturation. Notez que le courant de drain, iD, dépend de vGS et vDS. Pour une tension grille-source constante, nous opérons le long d'une des courbes paramétriques de la figure, et la relation est une ligne approximativement droite. Une relation linéaire entre le courant et la tension est modélisée par une résistance. Le circuit équivalent est donc constitué d'une résistance en parallèle avec la source de courant où la valeur de la source de courant établit la partie du courant de drain due à vGS. La pente de la courbe dépend de vGS. La pente est la dérivée partielle,


(12)

De r0 est la résistance de sortie incrémentielle. Nous voyons dans l'équation [(5) ou (8)] que cette résistance est donnée par


(13)

où nous utilisons des majuscules VGS pour indiquer que la résistance est définie pour une valeur constante particulière de la tension grille à source. L’approximation finale dans l’équation (13) résulte de l’équation (5) en supposant que λ est petite. La résistance est donc inversement proportionnelle au courant de polarisation, ID. Le modèle équivalent de grand signal est ensuite donné par la figure 11 où r0 est comme développé dans l'équation (13).

Figure 11 - Circuit équivalent à grand signal

2.4 Modèle à petit signal de MOSFET

Nous souhaitons maintenant examiner les effets incrémentiels liés à l’équation. Les trois paramètres de circuit dans cette équation, iD, vGS et vDS sont composés des deux dc (biais) et ac composants (c’est pourquoi nous avons utilisé des indices en majuscule dans les expressions). Nous sommes intéressés par le ac composants pour le modèle à petit signal. Nous voyons que le courant de drain dépend de deux tensions, le gate-to-source et le drain-to-source. Pour les valeurs incrémentielles, nous pouvons écrire cette relation comme


(14)
Dans l'équation (14), gm is la transconductance avant et r0 est la résistance de sortie. Leurs valeurs sont obtenues en prenant des dérivées partielles dans l'équation (5). Ainsi,


(15)
L’approximation dans l’équation (15) résulte de l’observation que λ si petit. L'équation (14) mène au modèle à petit signal de la figure 12.

Figure 12 - Modèle MOSFET à petit signal