Structure MOS
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Structure MOS – transistor MOSFET Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 1 plan Structure Métal Oxyde Semi-conducteur Différents régimes: 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 Ph.Lorenzini Accumulation Désertion – Déplétion Faible inversion Forte inversion : tension de seuil de la structure Inverseurs N-MOS Inverseur C-MOS 2 Structure Métal Oxyde Semiconducteur Figure 6.1 Capacité MOS Eg SC SC fi 2 e Diagramme énergétiqueComposants hors équilibre Actifs - Structure MOS / Ph.Lorenzini MOS-FET 3 Mise en équilibre de la structure Vd M SC dV , E , dx SC Métal e SC e M EF d 2V ( x) dx2 SC SC Métal e SC EC EF eVd e SC e M EF EV dx Système indépendant Ph.Lorenzini e SC EC EF EV Système à l’équilibre Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 4 Les différents régimes de fonctionnement : f(travaux de sortie) (a) Accumulation (b) Flat band (c) Désertion – déplétion (d) Faible inversion (e) Forte inversion Ph.Lorenzini 5 Les différents régimes de fonctionnement : f(Vg) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 6 Champ, potentiel et charges dans le silicium On se place dans le cas d’un semiconducteur de type p: eFi EF EFi 0 Attention: dans certains ouvrage, la définition est sans la valeur absolue !!!! V ( x ) 0, V ( x 0) Vs, Vg Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 7 Champ, potentiel et charges dans le silicium Équation de Poisson: ( x) ep( x) n( x) N D ( x) N A ( x) A p 0 n0 N N D e Fi n0 ni exp( ) kT e Fi p0 ni exp( ) kT eV ( x) e(V ( x) Fi ) n( x) n0 exp( ) ni exp( ) kT kT e(V ( x) Fi ) p( x) ni exp( ) kT Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 8 Champ, potentiel et charges dans le silicium eV ( x ) eV ( x ) kT kT ( x) e n0 p 0 p 0 e n0 e d 2V ( x ) e SC dx 2 eV ( x ) eV ( x ) kT kT 1) n 0 (e 1) p 0 (e d 2V ( x) d dV ( x) d dV ( x) dV ( x) 2 dx dx dV dx dx dx dV ( x) dV ( x) e d dx SC dx Ph.Lorenzini eV ( x ) eV ( x ) kT kT 1) n0 (e 1) dV ( x) p 0 (e 9 Champ, potentiel et charges dans le silicium • on intègre cette équation depuis de le volume (« bulk ») vers dV ( x) la surface V(x=« bulk »)=0 et dV ( x ) 0 e dx dV ( x ) dV ( x ) d dx SC dx V ( x) 0 2 Ph.Lorenzini bulk eV ( x ) eV ( x ) kT kT 1) n0 (e 1) dV ( x) p 0 (e Or le champ électrique est donné par: 2kTp0 dV ( x) E 2 ( x) dx SC dx 0 E ( x) dV ( x) dx eV ( x ) kT eV ( x) n0 eV ( x ) kT eV ( x) 1 1 e e kT kT p0 Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 10 Champ, potentiel et charges dans le silicium dV ( x) kT 2 eV ( x ) kT eV ( x) n0 eV ( x ) kT eV ( x) 2 E ( x) 1 1 2 e e kT kT dx e LD p0 2 2 Avec la longueur de Debye: LD En utilisant le théorème de Gauss: QSC SC kT e 2 po ES QSC SC n0 eVS kT eV S kT SC 2 eVS kT eV S 1 1 e e kT p0 kT e LD Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 1 2 Qmétal 11 Champ, potentiel et charges dans le silicium QSC 2 kT SC e e LD eVS kT eV n S 1 0 e kT p0 eVS kT eV S 1 kT 1 2 Qmétal Pour Vs (donc Vg) négatif (accumulation) Pour Vs (donc Vg) positif mais inférieur à 2fi (déplétion – faible inversion) Pour Vs (donc Vg) > 2fi (forte inversion) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 12 Seuil de forte inversion Critère pour le seuil de forte inversion: ns=p0=NA 2kT N A VS 2 Fi ln e ni Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 13 Mesure de la capacité de la structure MOS idéale VG wP MOS + t i V(t) ~ V(t)=sin(wmt) t Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET R vref Détection synchrone (« lock in amplifier ») 14 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: QSC Vg Vox VS VS Cox M O S Vg Vox Ph.Lorenzini L’oxyde et le SC se comporte comme des capacités VSC Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 15 Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Capacité d’oxyde: Cox ox dox 2 en F/cm Elle s’exprime également par : QM dQM Cox (VG VS ) d (VG VS ) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 16 Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Capacité du semi-conducteur (charge dans le SC) d (QSC ) d (QM ) CSC (polarisati on du SC) dVS dVS Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 17 Mesure de la capacité de la structure MOS idéale Capacité globale de la structure: CMOS dQM dVG Soit encore en combinant les 3 expressions: 1 1 1 soit 2 capacités en série CMOS Cox CSC Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 18 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: QSC porteurs libres charge fixes QS Qdep Soit encore: dQdepdep) (dQSS dQ dQdQ dQ scsc sc C C CS Cdep CSCSCSC dVdV dVdV dVS dV S SS S S Ph.Lorenzini 19 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 Ph.Lorenzini Cox Cs Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Cdep 20 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 21 Capacité de la structure MOS idéale Régime d’accumulation: VS<0 ie VG<0 2kT 1 2kT e 1 2kT Q 1 e1 e 0 1 1 eL C1 C V V C V gV S C MOSC ox SC eVS 2 kT SC D MOS ox g S ox dQSC e e CSC QSC Cox Vg VS dVs VS:0,3 2kTV à 0,4 V 2kT kT=26 meV, en acc, dès que VG>-1 à –2 V, CMOS = Cox Ph.Lorenzini 22 Capacité de la structure MOS idéale Régime de bandes plates: VS =0 V ie VG=0 V (Attention : ici structure idéale !!!!!) Calcul analytique: C SC ( fb) SC LD ox ox CMOS ( fb) ox dox LD dox ox kT SC SC SC e eN A Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 23 Capacité de la structure MOS idéale Régime de déplétion et de faible inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) 0 VS 2 Fi Cox1 2 SC kT ox eVS CMOS (déplétion QSC ) 2eN A SCV2 S 2 Qdep eLdD ox kTW 1 (2CoxVg / SC eN A ) 1 2 SC dep 1 2 dQSC eN A SC SC CSC dVS 2VS Wdep ox Ph.Lorenzini 24 Capacité de la structure MOS idéale accumulation dep ??? Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 25 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 26 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 27 Capacité de la structure MOS idéale Régime de forte inversion: (Attention : ici structure idéale !!!!!) Calcul du temps de création de la couche d’inversion: ni g th 2 m La limite de forte inversion : nS = NA g th S N A En fait : Ph.Lorenzini NA S 2 m ni NA S 1 - 10 m ni 28 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 29 Capacité de la structure MOS idéale: forte inversion 3 cas : Basse fréquence + Rampe lente de Vg Haute fréquence + Rampe lente de Vg Q Q Q x Ph.Lorenzini Haute fréquence + Rampe rapide de Vg x Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET x 30 Capacité de la structure MOS idéale: forte inversion Capacité minimum (HF): BF Wmax 2 sc 4 sckT 2Fi ln( N A / ni ) 2 eN A e NA HF 1 1 4kT ln( N A / ni ) Cmin Cox sce2 N A Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 31 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+ n ou p C(V), I(V) p Technique de caractérisation pour les propriétés d’interface (mobilité du canal, …) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 32 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 33 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 SiSiO2 K+ Ioniques mobiles Na+ ----++++ 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 34 MOS réel : charges dans l’oxyde Effet d’une charge pelliculaire dans l’oxyde sur le potentiel de surface: Q La charge dans l’oxyde est (x) Vg=0V Métal Oxyde 0 Vg=Vfb (x) x1 Ph.Lorenzini Si x Q dox -Q compensée par une charge dans le métal et le SC. x Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 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. 35 MOS réel : charges dans l’oxyde À partir du théorème de Gauss: E ( x) Vg x1 Qox : Champ induit dans l’oxyde ox xQox ox x Qox d ox Cox Si la répartition est non uniforme: Vg V fb 0 d ox Ph.Lorenzini E x ( x,VS )dx ox Q / ox x : tension induite par ce champ et supportée par la grille ( x,VS ) ( x) Qit (VS ) ( x d ox ) 1 d x ( x)dx Qit (VS )dox Cox 0 dox ox Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 36 MOS réel : charges dans l’oxyde L’influence est maximum lorsque les charges sont situées à l’interface Oxyde – SC, ie Qox=QSS . x d ox Qss Vg Cox En général, pour simplifier l’écriture, on introduit une charge équivalente d’oxyde Qox (VS ) par unité de surface: Qox (VS ) Vg (VS ) VFB Cox MOS / Composants Actifs - Structure Ph.Lorenzini MOS-FET 37 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): 1 1 1 CMOS COX CSC Cit Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 38 MOS réel Différence des travaux de sortie Métal et SC. Même si Vg = 0 V, la structure n’est pas en bandes plates. ei Zone déplétée La tension à appliquer pour se ramener en bandes plates est VFB =Composants M – Actifs S= MS - Structure MOS / Ph.Lorenzini MOS-FET 39 MOS réel Différence des travaux de sortie Métal et SC. Exemple: grille en polysilicium n+ sur structure pMOS poly e silicium n Eg SC Silicium fi 2e Ph.Lorenzini poly MS Eg 2e fi 0.56 kT N a ln( ) e ni 40 MOS réel Tension de bandes plates globale ( effets de MS et charges dans l’oxyde) VFB MS Qox Cox 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 41 Tension de seuil de la structure MOS Paramètre essentiel pour le fonctionnement du MOS-FET Plusieurs définitions (même résultat !): Ph.Lorenzini n S = NA Vs = 2 fi … Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 42 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. VT Vg (VS 2 Fi ) 4 SC eN A Fi COX 2 Fi VFB (On suppose ici que le substrat (le silicium) n’est pas polarisé !!) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 43 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 44 Tension de seuil de la structure MOS Effet substrat (« Body effect ») Si Vsb=0, la condition d’inversion est donnée par Vs=2Fi 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: 2 sc (2 Fi VSB ) Wmax (VSB ) eN a Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 45 Tension de seuil de la structure MOS Cette augmentation de la ZCE (pour absorber l’excédent de tension VSB ) entraîne une charge supplémentaire Q eN 2 Fi ] aW (Vgs VSB ) eN aWm 2eN a [ 2 Fi VSB Soit une sensibilité dVT/dVSB : sc eN a / 2(2 Fi VSB ) dVT 1 dQ dVSB Cox dVSB Cox On réécrit alors VT: VT VT 0 g Ph.Lorenzini 2 Fi VSB 2 Fi avec Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET g 2eN A SC Cox 46 Tension de seuil de la structure MOS Na = 1E16 cm-3 Na = 3E15 cm-3 1,8 Tension de seuil VT (V) 1,6 d ox 200 A VFB 0V 1,4 1,2 1,0 0,8 0 2 4 6 8 10 tension de polarisation du substrat VSB (V) 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 47 Tension de seuil de la structure MOS Effet de la température: Modification du « gap » Modification de FI Dans le cas de structure avec grille poly-silicium n+: dVT k N C NV (2m 1) ln dT e N a Valeur typique : dVT dT 3 m 1 dE g 2 e dT 1mV / K augmentation du courant à l’état bloqué d’un facteur 30 Composants à 50 foisActifs entre 25°C et 100°C. - Structure MOS / Ph.Lorenzini m=1.1 MOS-FET 48 Le transistor MOS-FET Fonctionnement Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 49 Étapes technologiques (succint) gravure poly sauf Étape dépôt dedu l’isolant SiO Étape Étape ::::implantation dépôt :ouverture etching du Polysilicium du métal source non etgrille drain nécessaire de grille) Étape évaporation du métal Étape des fenêtres pour dépots gravure de l’oxyde pour implantation 2(métal contacts Source et Drain source etohmiques drain Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 50 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 51 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 52 Le transistor MOS-FET Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 53 Principe de fonctionnement: régime linéaire Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 54 Principe de fonctionnement: limite de saturation pincement Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 55 Principe de fonctionnement: transistor saturé La longueur effective du canal diminue de L à L’ Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 56 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 57 Schéma simplifié du MOS (Taur) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 58 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 59 Approximation de la charge surfacique 1° étape: calcul de la charge d’inversion en fonction de Vg Qdep eN AWM 2eN A SCVS ( y ) 2eN A SC (2 Fi V ( y ) ) Qsc ( y ) Qmétal ( y ) C ox (V g VFB VS ( y )) C ox (V g VFB 2 Fi V ( y )) Qinv Qsc Qdep Cox (Vg VFB 2 Fi V ( y)) 2eN A SC (2 Fi V ( y) ) nS ( y) Qinv e Qsc e Ph.Lorenzini Qdep e C ox (V g VFB 2 Fi V ( y )) e 2 N (2 Fi V ( y )) A SC e Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 1 2 60 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 I DS Qinv n dV W dy I Ds dy Qinv n dVW Il suffit alors d’intégrer de y = 0 à y = L, soit L VDS 0 0 I DS dy nW Ph.Lorenzini Qinv dV Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 61 Approximation de la charge surfacique Soit finalement: I DS W VDS n Cox (Vg VFB 2 Fi )VDS L 2 3 3 2 2 sceN A 2 2 (2 Fi VDS ) (2 Fi ) 3 Cox !! Cox est une capacité par unité de surface !! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 62 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 63 Régime linéaire ou triode Dans le cas où Vds est petite (Vds<< 2Fi), on peut négliger le terme quadratique en Vds et faire un développement en série du terme (1+Vds/2Fi)^3/2 qui apparaît. On obtient: 4 sceN A Fi W W I DS nCox (VGS V fb 2 Fi )VDS nCox (VGS VT )VDS L Cox L On rappelle que VT est la tension de seuil du transistor. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 64 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: I DS avec W n C ox L m 1 m 2 (V gs VT )VDS 2 VDS sc eN A / 4 Fi Cox Cdm 3d ox 1 1 Cox Wm Cdm est la capacité de déplétion dans le Si en limite de forte inversion. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 65 Régime saturé L’équation précédente est une parabole. Le courant Ids augmente donc en fonction de Vds pour atteindre un maximum qui donne Vdsat. VD VDsat (Vdsat, Idsat ) Vg4 Courant de Drain I DS I Dsat (Vgs VT ) m 2 W (Vgs VT ) n Cox L 2m Vg3 En se rapprochant de la réalité (oxyde mince et dopage faible), on a m=1 et : Vg2 Vg1 VDS Ph.Lorenzini I DS I Dsat Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET W n C ox (V gs VT ) 2 2L 66 Régime saturé En ne faisant pas les approximations (DL et autres …), les expressions complètes de Vdsat et Idsat sont données par: VDsat Vgs VFB 2 Fi sc eN A Cox2 2 sc eN A sc eN A (Vgs VFB ) 2 2 Cox 2Cox 1 2 W 4 ( eN ) A sc Fi I dsat µn Cox (VDsat 2 Fi )(VDsat 2 Fi 2Vgs 2VFB ) 12 Fi (Vgs VFb Fi ) 6L 3 Cox En supposant Cox grand (oxyde mince) et dopage faible, l’expression de la tension de seuil peut se réduire à VT 2Fi VFB ou encore Vgs VFB 2Fi VDsat Vgs VT I Dsat µn Ph.Lorenzini W W 2 C ox (Vgs VT ) 2 µn C oxVDsat 2L 2L Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 67 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 68 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 fi <Vs <2Fi Comportement sous le seuil important: Ph.Lorenzini Application basse tension Application faible puissance (low power) Circuits mémoires et logique Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 69 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: 2 I DS W kT e (Vg VT ) / mkT µC ox (m 1) (1 e eVDS / kT ) e L e Dès que Vds > qq kT, Ids ne dépend plus de la tension Vds Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 70 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 71 Effet substrat sur la tension de seuil du transistor Vg Vds Drain n+ Source n+ VSB -VSB Vg-VSB Vds-VSB Source n+ Ph.Lorenzini Drain n+ Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 72 Effet substrat sur la tension de seuil du transistor Avec une tension VSB, la charge d’inversion s’écrit: Qinv Qsc Qdep Cox (Vg VSB VFB 2 Fi V ( y)) 2eN A SC (2 Fi V ( y) ) 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: VT V fb 2 Fi g 2Fi VSB VT VT 0 g 2 Fi VSB 2 Fi avec VT 0 V fb 2Fi g 2Fi !! Dans un pMOS, remplacer les + par des - !! Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 73 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 74 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 Fi dVT k N C NV (2m 1) ln dT e N a Valeurs typiques: Ph.Lorenzini 3 m 1 dE g 2 e dT dVT 1mV / K pour le Si: dT Cela induit une variation du courant sous le seuil (30 à 50 fois entre 25°C et 100°C ) Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 75 Effets « parasites » sur les MOS-FETs réels MOSFETs canal long: Variation de la mobilité dans le canal MOSFETs canal court: Ph.Lorenzini Réduction de la tension de seuil Régime de saturation de la vitesse des porteurs Modulation de la longueur du canal Claquage du transistor Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 76 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. b) vitesse de saturation a) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 77 Variation de la mobilité: 2 processus Si VDS > EC.L le courant sature à une valeur donnée par : 7 I Dsat WC ox (V g VT )v sat v sat 10 cm / s EC 1 2.104V / cm Dans le cas où l’on tient compte des deux effets, la mobilité est donnée par: µn (eff ) Effet du champ transversal Ph.Lorenzini µ0 E 1 (Vgs VT ) EC Effet de la saturation de la vitesse Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 78 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 VT 0 (canal court ) VT 0 VT 0 79 Réduction de la tension de seuil (canal court) (Kang et al) 2 Si xdS Vbi eN A 2 Si xdD (Vbi VDS ) eN A 2 x dS LS x j . 1 1 x j x j 1 2 xdS 2 x dD VT 0 4e Si N AFi 1 1 1 1 Cox 2 L xj x j Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 80 Réduction de la tension de seuil (canal court) (Kang et al) Tension de seuil (V) 0,9 VT0 0,8 0,7 Tension de seuil sans polarisation de drain 0,6 La tension de seuil est fonction: 0,5 Longueur du canal Tension de polarisation Vds au travers de xdD 0,4 0,3 0 1 2 3 4 5 6 longueur du canal (µm) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 81 Modulation de la longueur du canal Lorsque le pincement (saturation) est atteint, la longueur effective du canal diminue. L ID I Dsat L L(VDS ) si VDS 1 Ph.Lorenzini 1 L 1 VDS L µn Cox W I D (sat ) (VGS VT ) 2 (1 VDS ) 2 L Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 82 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 »): Ph.Lorenzini ZCE S-Subs et D-Subs se rejoignent lorsque Vds augmente Injection directe des électrons de S vers D pas de saturation de courant Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 83 Claquage du transistor Claquage par ionisation (Taur) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 84 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 85 Capacités associées au MOSFET Modèle équivalent (avec les capacités de recouvrement (overlay)) Modèle équivalent (sans les capacités de recouvrement) D Cgb Cgd G MOSFET intrinsèque (DC) Cdb B Csb Cgs Cd b S Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 86 Capacités associées au MOSFET Capacité de recouvrement: Soit LD, la longueur de recouvrement L=LM - 2.LD gate (n+) LD L LD (n+) CGS Cox .W .LD CGD Cox .W .LD LM Ph.Lorenzini Cox ox d ox Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 87 Capacités grille - canal Régime bloqué: Cgs = Cgd = 0 Cgb = CoxWL canal 1 Cgs Cgd CoxWL 2 Cgb 0 (canal écrante le substrat) canal Ph.Lorenzini Régime linéaire Régime saturé 2 Cgs CoxWL, Cgd 0 3 Cgb 0 (canal écrante le substrat) Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 88 Capacités d’oxyde: résumé Capacité Bloqué Linéaire saturé Cgb(total) CoxWL 0 0 Cgd(total) CoxWLD Cgs(total) CoxWLD Ph.Lorenzini 1 CoxWL D CoxWL CoxWLD 2 2 1 CoxWL CoxWLD CoxWL CoxWLD 3 2 Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 89 Caractéristiques dynamiques (1) Conductance: 2 sc N a I D W gD µn Cox Vgs VFB 2 Fi VDS VDS 2 Fi VD V cte L Cox g Linéaire g Dlin Saturé µnW Cox (Vgs VT ) L gD 0 sat Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 90 Caractéristiques dynamiques (2) transconductance:liée à la vitesse du dispositif Linéaire g mlin µnW CoxVDS L Saturé (« active région ») µnW W 2 I Dsat g msat Cox (Vgs VT ) 2µnCox I Dsat L L (Vgs VT ) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 91 Caractéristiques HF Fréquence de coupure gain en courant=1 I in jwCGSV g jwCGD (VG VD ) VD g mVg jwCGD (VD VG ) 0 RL Si on néglige jwRLCgd (petit) I in jw CGS CGD (1 g m RL )VG I in jw CGS C M VG CM : capacité Miller Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 92 Caractéristiques HF I out I D g mVgs I in I out gm fT 2 (CGS C M ) Si CM = 0 fréquence de coupure max: f T max vs µn (VG VT ) ou (si canal court et/ou vsat ) fT max 2L2 2L Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 93 Caractéristiques HF: foscmax Autre facteur de mérite: gain en puissance unitaire fréquence d’oscillation max f max fT 4 Rg ( g d wT Cgd ) Rg: résistance de grille Rs : négligeable Ref: (Tsividis) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 94 Inverseurs à transistors MOS Les différents montages Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 95 Inverseur idéal : définition Tension d’entrée: Vin Tension de sortie: Vout Tension de seuil d’inversion:Vth=VDD/2 Niveau logique « 1 » : Passage le plus abrupte possible VDD<V<Vth Niveau logique « 0 »: Vth<V<0 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 96 Inverseur: circuit générique Charge: passive ou active (MOS) « pilote », « driver » ou « commande » I DS (Vin ,Vout ) I L (VL ) 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 97 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 98 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 99 Inverseurs: marges de bruit (« noise margins ») NM H VOH V IH NM L V IL VOL Zone à réduire VIL=VIH se rapprocher de la forme idéale un échelon. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 100 Inverseurs à charge résistive 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 » Ph.Lorenzini RL CL n-MOS enrichissement Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 101 Inverseurs à charge passive (résistive) : caractéristique de transfert 10 RL=36 k RL=50 k 8 V out 6 4 2 0 -4 -3 -2 -1 0 1 Vin VDD Vout ID RL Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 102 Inverseur à charge passive : VOH VDD VOL VDD VTn VIL VTn VIH VTn 1 1 2 2VDD (VDD VTn ) kn RL kn RL kn RL 1 kn RL 8 VDD 1 3 kn RL kn RL ( À faire ! ) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 103 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 104 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 105 Inverseur à charge active saturée La résistance de charge remplacée par un nMOS + VDD Ph.Lorenzini + VDD Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET + VDD 106 Inverseur à charge active saturée ID2, µA VDS1=VDD - VDS2 = 6 - VDS2 75 VDS2 4 75 VDS1 = 6 – 4 = 2 V ID2 = 75 µA = ID1 Ph.Lorenzini 2 Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 107 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 108 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 109 Inverseur à charge active non saturée VGG = +9V VDD = +6V T2 VDS1 T1 VGS1 VGS2 - VDS2 =VGG – VDD = 3V VDS2 = VGS2 – 3V Ph.Lorenzini Résistance de charge Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 110 Inverseur à charge active non saturée VDS1 = 6 – VDS2 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 111 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 VT ,load (Vout ) VT 0 g Ph.Lorenzini 2 Fi Vout 2 Fi Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 112 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 113 Inverseur nMOS à charge à déplétion VOH VDD VOL VOL VTO ,driver (VOH 2 kload VTO ,driver ) VT ,load (VOL ) kdriver 2 kload VIL VT ,driver Vout VDD VT ,load (Vout ) kdriver dVT ,load kload VIH VT ,driver 2Vout VT ,load (Vout ) kdriver dVout ( à faire ! ) Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 114 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 I DC (Vin VDD ) I load (sat ) I driver (lin ) 50% au niveau « 1 » PDC VDD k load 2 VT ,load (VOL ) 2 2 Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET Rédhibitoire !! 115 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 116 Inverseur C-MOS S D D S Ph.Lorenzini VGS,p -(VDD – Vin) VDS,p -(VDD – Vout) VGS,n Vin VDS,n Vout Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 117 Inverseur C-MOS La complexité de la structure est largement compensée par le gain en performance. Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 118 Inverseur C-MOS Att! VTn > 0 et VTp < 0 1° cas: Vin < VTn VGS,n < VTn nMOS bloqué VGS,p < VTp pMOS conduit le courant est nul Vout = VDD = VOH 2° cas: Vin > VDD + VTp VGS,n > VTn nMOS conduit VGS,p > VTp pMOS bloqué Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET le courant est nul Vout = VOL 0 119 Inverseur C-MOS Région Vin Vout nMOS pMOS A < VTn VOH Bloqué linéaire B VIL « 1 » VOH Saturé linéaire C Vth Vth Saturé Saturé D VIH « 0 » VOL Linéaire Saturé E > (VDD + VT,p ) VOL Linéaire bloqué Zone de consommation en commutation Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 120 Inverseur C-MOS Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 121 VOH VDD Inverseur C-MOS VOL 0 2Vout VT , p VDD k RVT , n VIL 1 kR VIH VDD VT , p k R .( 2Vout VT , n ) VT , n Vth 1 kR 1 (VDD VT , p ) kr (1 kR kn kp Ph.Lorenzini ( à faire) ! 1 ) kr k µC ox W L Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 122 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 123 Inverseur C-MOS en commutation 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. Cload Cload C gd ,n Cgd , p Cdb,n Cdb, p Cint Cg Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 124 Inverseur C-MOS en commutation : temps de retard, temps de montée et de descente Temps de retard ou de propagation: PLH : temps de propagation du niveau bas au niveau haut. PHL : temps de propagation du niveau haut au niveau bas. Temps de propagation du signal à travers l’inverseur: P Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET PHL PLH 2 125 Inverseur C-MOS en commutation : temps de retard, temps de montée et de descente Temps de montée et de descente: VOH V10% VOL 0.1(VO H VOL ) V90% VOL 0.9(VOH VO L ) VOL fall t B t A rise t D tC Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 126 Inverseur C-MOS en commutation: Calcul du temps de retard ou propagation: dVout Cload iC iD , p iD ,n dt Calcul du temps de descente: •Vin passe de VOL à VOH • nMOS passant et décharge Cload •pMOS est bloqué ID,p 0 dVout Cload iD ,n dt Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 127 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 128 Inverseur C-MOS en commutation: On obtient finalement (à faire !) 2VT ,n 4(VOH VT ,n ) Cload PHL ln 1 kn (VOH VT ,n ) VOH VT ,n VOH VOL PLH k p (VOH Ph.Lorenzini 2(VOH VOL VT , p ) 2 VT , p Cload ln 1 VOH V50% VOL VT , p ) VOH VOL VT , p Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 129 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. Pmoy 1T v(t ).i(t )dt T0 Pmoy C V 2 load DD Ph.Lorenzini f Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 130 Inverseur C-MOS en commutation Autre source de consommation: le courant de court circuit: Ph.Lorenzini Composants Actifs - Structure MOS / MOS-FET 131 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 132
