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Chapitre 1 Le¸ con : du Silicium aux transistors 1.1 Introduction 1.1.1 Histori

Chapitre 1 Le¸ con : du Silicium aux transistors 1.1 Introduction 1.1.1 Historique Le transistor MOS est un ´ el´ ement d´ ecisif dans l’´ evolution technologique de l’´ electronique. Celle ci permet la r´ ealisation de circuits de traitement d’informations de tr` es grandes per- formances et de tr` es grande diﬀusion. Le moteur de cette ´ evolution est la diminution des dimensions du transistor. Nous verrons comment cette diminution g´ eom´ etrique entraˆ ıne une vitesse et une puissance de traitement plus grandes pour un coˆ ut, au sens g´ en´ eral, plus faible. La technologie (mot qui d´ esigne ici l’ensemble des proc´ ed´ es mat´ eriels aboutissant ` a la fa- brication de circuits int´ egr´ es) CMOS sur Silicium domine tr` es largement l’industrie de l’´ elec- tronique. Pourtant le premier transistor (contraction de l’anglais “transfer resistor”) construit en 1947 aux Laboratoires Bell Telephone (aux ´ Etats Unis) par Bardeen, Brattain et Shockley, fut un transistor bipolaire ` a pointes. Le premier transistor MOS ne fut construit qu’en 1961, au mˆ eme endroit par Kahng et Atalla, bien que la premi` ere publication scientiﬁque d´ ecrivant son principe de fonctionnement soit le fait de Lilienfeld en 1928. Kilby de Texas Instruments en 1958 et Noyce de Fairchild Camera and Instrument en 1959 ´ elabor` erent les premiers circuits int´ egr´ es bipolaires. Notons enﬁn que 2 ing´ enieurs de Fairchild, Moore et Noyce, fond` erent Intel en 1968 pour y d´ evelopper les premiers circuits int´ egres MOS. 1.1.2 Organisation de la le¸ con Nous allons r´ epondre aux questions suivantes : • Comment fonctionne un circuit ´ el´ ementaire ` a un transistor ? • Quelle fonction ´ electrique doit r´ ealiser un transistor ? • Quel ph´ enom` ene physique utiliser pour cel` a ? • Comment construire un transistor ? • Comment mod´ eliser son fonctionnement ? 1.2 Circuit ´ el´ ementaire Les syst` emes de traitement de l’information utilisent, souvent de mani` ere cach´ ee mais quasi exclusivement, des transistors. De la mˆ eme fa¸ con, l’information est port´ ee par la va- riation d’un signal ´ electrique. Ce signal peut ˆ etre un courant, une tension, une quantit´ e de charge, un champ ´ electrique et/ou magn´ etique. . . La variable porteuse d’information peut ˆ etre l’amplitude, la fr´ equence, ou la phase. . . Aﬁn de simpliﬁer l’expos´ e, nous supposerons que l’information est port´ ee par l’amplitude de la tension du signal ´ electrique. Le sch´ ema de la ﬁgure 1.1 repr´ esente le circuit ´ electronique permettant de r´ ealiser la fonction ´ el´ ementaire inversion/ampliﬁcation. 1 Fig. 1.1 – Circuit ´ el´ ementaire inverseur Il est constitu´ e de : • une alimentation stabilis´ ee, qui d´ elivre une tension continue VDD, quel que soit le cou- rant sortant IDD (source de tension constante id´ eale), • une r´ esistance de charge R, aux bornes de laquelle le courant qui la traverse IR, engendre une tension VR (loi d’Ohm) : VR = R · IR, • un transistor T, dont le mod` ele est un quadripˆ ole lin´ eaire constitu´ e de : – dipˆ ole de sortie : une source de courant d´ ependante lin´ eairement de la tension d’en- tr´ ee : IT = Gm · Ve, – dipˆ ole d’entr´ ee : un pr´ el` evement de la tension d’entr´ ee Ve. Ce type de quadripˆ ole est appel´ e une transconductance id´ eale. Analysons le fonctionnement de ce circuit : • en utilisant la loi des mailles, puis la loi d’Ohm, nous pouvons ´ ecrire : VDD = VR + Vs = R · IR + Vs • les seuls ´ el´ ements connect´ es sur le nœud de sortie sont la charge R et le dipˆ ole de sortie du transistor T. Ainsi, (loi des nœuds) nous pouvons ´ ecrire : IDD = IR = IT • utilisons la transconductance id´ eale Gm du transistor : VDD = R · Gm · Ve + Vs • nous obtenons la caract´ eristique de transfert Vs = f(Ve) du circuit : Vs = VDD −R · Gm · Ve Ce circuit est utilis´ e en ´ electronique analogique pour r´ ealiser, dans certaines conditions, la fonction ampliﬁcation, dont le principal param` etre est le gain en tension : Gv = δVs δVe = −Gm · R De mˆ eme il est utilis´ e en ´ electronique num´ erique pour r´ ealiser la fonction inversion logique. Dans ce type de traitement l’information est port´ ee par les deux ´ etats extrˆ emes de l’amplitude de tension : Ve = VDD = ”1” ⇒ IT = ITmax ⇒ VR = R · ITmax = −VDD ⇒ Vs = 0V = ”0” Ve = 0V = ”0” ⇒ IT = 0A ⇒ VR = 0V ⇒ Vs = VDD = ”1” Poursuivons l’exemple de l’´ electronique num´ erique : le traitement de l’information consiste ` a faire commuter (dans certaines conditions qui sp´ eciﬁent la fonction logique r´ ealis´ ee) la ten- sion du nœud de sortie de 0V ` a VDD ou de VDD ` a 0V. Le principal param` etre de performance du circuit logique est le temps mis pour passer d’un ´ etat logique ` a l’autre (vitesse). 2 Nous utilisons une mod´ elisation simple du nœud de sortie o` u les seuls ´ el´ ements passifs qui y sont connect´ es sont les capacit´ es parasites des transistors et des connexions. Les ´ equations de constitution du condensateur : • condensateur id´ eal : Q = C · V , • courant : I = dQ dt , nous permettent d’obtenir : • le temps de commutation : dt = C · dV i o` u : • dV = ±V DD (suivant la transition ”0” 7→”1” ou ”1” 7→”0”). • C = capacit´ e totale ´ equivalente du nœud commutant, • i = courant traversant le dipˆ ole de sortie du transistor et chargeant C. Il ne reste plus ( !) qu’` a identiﬁer et caract´ eriser i et C. Dans ce chapitre nous allons donc voir comment le transistor MOS peut ˆ etre r´ ealis´ e ` a partir de mat´ eriaux semi-conducteurs tels que le Silicium. Pour cela nous rappellerons quelques propri´ et´ es ´ el´ ementaires des mat´ eriaux semi-conducteurs intrins` eques et dop´ es. A l’aide de ces notions, nous d´ ecrirons la structure et le fonctionnement du transistor MOS de mani` ere ` a disposer d’un mod` ele simple et quantiﬁable de l’intensit´ e du courant de sortie et des capacit´ es parasites du transistor MOS. 1.3 Rappels de physique simpliﬁ´ ee 1.3.1 Notion de courant Un courant ´ electrique dans un mat´ eriau est un d´ eplacement de charges libres. Il n´ ecessite l’existence de : • charges libres, c’est ` a dire ne participant pas aux liaisons de valence de la structure cristalline, donc libres de s’y d´ eplacer, • d’une force capable de les entraˆ ıner. Pour simpliﬁer, il existe deux types de courant : le courant de diﬀusion et celui de conduc- tion. Diﬀusion La force de diﬀusion est due ` a un gradient de concentration (densit´ e) de charges. Elle entraˆ ıne les porteurs libres vers les r´ egions de moindre concentration, cr´ eant ainsi un courant de diﬀusion. C’est celle qui est utilis´ ee dans la jonction PN (voir plus loin) et dans l’eﬀet bipolaire. Conduction Le champ ´ electrique E engendre sur un porteur libre une force F : F = qc · E Compte tenu des frottements et des collisions avec le r´ eseau cristallin, le porteur libre atteint rapidement une vitesse limite vc : vc = µc · E La densit´ e du courant de conduction ainsi cr´ e´ e est J : J = σ · E = nc · qc · µc · E 3 Fig. 1.2 – R´ esistance d’un tube • E est le champ ´ electrique en V · m−1, • F est la force d’entraˆ ınement en N, • qc est la charge du porteur libre en C (Coulomb), • µc est sa mobilit´ e dans ce mat´ eriau en m2 · V −1 · s−1, • vc est sa vitesse en m · s−1, • σ est la conductivit´ e en Ω−1 ·m−1 ou en S ·m−1 de ce mat´ eriau pour ces charges libres, • nc est la densit´ e (concentration par unit´ e de volume) des charges libres en m−3, • J est la densit´ e du courant de conduction en A · m−2, Ainsi nous pouvons mod´ eliser un courant en connaissant : • la technologie du mat´ eriau par : – la mobilit´ e de ses porteurs libres (µ), – leur densit´ e dans la r´ egion active (n), • la charge unitaire de ces porteurs (qc), • l’action appliqu´ ee : ici le champ ´ electrique (E) 1.3.2 Conducteur, semi-conducteur, dopages La r´ esistance uploads/Philosophie/ cours-1 1 .pdf