Circuits intégrés en technologie CMOS - ESPCI

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I. ÉLÉMENTS DE PHYSIQUE DES SEMICONDUCTEURS
Définition
Un semi-conducteur est un solide qui est isolant au zéro absolu et conducteur à la température
ambiante.
Propriétés
Dans un semi-conducteur, tout se passe comme si la conduction du courant était due à deux
types de particules :
! les électrons (comme dans un métal)
! les trous, de charge opposée à celle de l’électron.
Dans un semi-conducteur parfaitement pur (semi-conducteur « intrinsèque ») la densité
d’électrons n est égale à la densité de trous p : pour le silicium
n = p = 1010 cm-3.
Définition
Un semi-conducteur dopé est un semi-conducteur dans lequel on a ajouté délibérément des
très petites quantités d’impuretés bien choisies (typiquement 1012 à 1017 cm-3) qui modifient
complètement les propriétés de conduction du matériau.

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Deux types d’impuretés :
! les donneurs (impuretés pentavalentes dans Si tétravalent), par exemple P,
! les accepteurs (impuretés trivalentes dans Si), par exemple B.
Propriétés
Les donneurs ont un électron de valence en surnombre qui est « libre » à la température am-
biante, donc susceptible de participer à la conduction.
Les accepteurs ont un déficit d’électrons de valence par rapport aux atomes de Si ; cette la-
cune ou trou est susceptible de se déplacer sous l’effet d’un champ électrique comme si
c’était une particule chargée positivement.
Dans un semi-conducteur à l’équilibre thermodynamique (dopé ou intrinsèque), la loi d’action
de masse s’écrit :
n p = ni2 ( = 1020 cm-6 pour Si à la température ambiante)
Définitions
Un semi-conducteur où les donneurs sont majoritaires est dit « semi-conducteur n ».
Un semi-conducteur où les accepteurs sont majoritaires est dit « semi-conducteur p ».
Définition
La mobilité d’un porteur de charge libre (électron ou trou) est le rapport de sa vitesse v au
champ électrique E qui lui est appliqué :
v = µ E
Ordre de grandeur à connaître par cœur : dans le silicium à la température ambiante
µ
p
≈ 500 cm2 V-1 s-1
µ
n
≈ 1000 cm2 V-1 s-1
II. TRANSISTORS MOS
1) Généralités
Transistors NMOS et PMOS
Dans un transistor NMOS en fonctionnement normal, un courant d’électrons est sus-
ceptible de passer dans le canal, de la source vers le drain.
Dans un transistor PMOS en fonctionnement normal, un courant de trous est suscep-
tible de passer dans le canal, de la source vers le drain.

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Figure 1
Figure 2
Propriété fondamentale des transistors MOS
Le passage du courant entre le drain et la source est commandé par la tension grille-
substrat et par la tension drain-source (Figure 3).
Sens conventionnel du courant :
! Transistor NMOS : Ids > 0
! Transistor PMOS : Ids < 0

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Régimes de fonctionnement
Un transistor MOS peut être
• en régime bloqué,
• en régime actif (Figure 4).
Si le transistor est en régime actif, il peut être (voir section II.4)
• en régime actif linéaire,
• en régime actif saturé.
Figure 3
2) Polarisation du substrat
Pour que le transistor fonctionne normalement, il faut s'assurer que les diodes source-
substrat et drain-substrat ne sont jamais polarisées en direct.
Très souvent, le substrat est connecté à la source, pour les NMOS comme pour les
PMOS (Figure 5).
3) Transistors à enrichissement et à appauvrissement
Propriétés (Figure 6)
Un transistor à enrichissement est bloqué (canal non conducteur) si VGS = 0.
Un transistor à appauvrissement est actif (canal conducteur) si VGS = 0.

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Figure 4
Figure 5