« Transistor/Transistor MOSFET » : différence entre les versions

Le MOSFET (''Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor'')<ref>« Transistor à effet de champ (à grille) métal-oxyde ».</ref> est un composant éléctronique important, notamment dans l’industrie des micro-processeurs car il constitue l'élément de base permettant la construction de portes logiques.

 

 

[[Fichier:IGFET N-Ch Enh Labelled simplified.svg|thumb|130px|MOSFET canal N.]]

Ces deux types ont la même importance, pour des raisons expliquées plus bas. '''Dans un premier temps, nous nous intéresserons uniquement au NFET.'''

 

 

Le NFET possède trois « régimes » différents. En exploitant l'un ou l'autre, il nous sera possible de construire des circuits variés.

 

 

Le MOSFET se comporte comme un interrupteur ''ouvert'' lorsque <math>V_{GS} \leq V_{TH}</math> (<math>I_{DS} = 0 \, A</math>).

La tension de seuil, notée <math>V_{TH}</math>, est caractéristique du composant mais dépend aussi de facteurs extérieurs, en particulier la température. En effet : <math>V_{TH} = {\alpha}kT/q</math>, où k est la constante de Boltzmann, T la température en Kelvin et q la charge élémentaire.

 

 

Dans certaines conditions, le MOSFET se comporte comme une résistance, dont la valeur dépend de <math>V_{GS}</math>. Ce régime porte mal son nom de « régime linéaire ».

où <math>K</math> est une caractéristique du transistor

 

 

Dans certaines conditions, le courant traversant le MOSFET ne dépend plus de la tension <math>V_{DS}</math><ref>En pratique, ce courant dépend ''encore'' — quoique faiblement — de ''V_DS'', mais cela n'a pas une grande incidence ici.</ref>, mais uniquement de la tension entre la grille et la source <math>V_{GS}</math> :

où la transductance est <math>g_m = 2\sqrt{K.I_D} = \frac{2I_D}{V_{GS}-V_{TH}}</math>, et <math>U_X</math> est la tension d'Early.

 

 

[[Fichier:Caracteristique MOSFET.svg|center|450px]]

En passant d'une valeur <math>V_{GS} < V_{TH}</math> à une valeur <math>V_{GS} > V_{TH}</math> avec <math>V_{DS}</math> suffisamment grand, le NFET se comporte comme un interrupteur contrôlable en série d'une résistance (faible). Cela nous intéresse notamment pour les circuits digitaux et la conception de portes logiques.

 

 

[[Fichier:IGFET P-Ch Enh Labelled simplified.svg|right|thumb|Un MOSFET canal P.]]

 

 

 

 

 

En conclusion, nous avons construit un amplificateur inverseur, linéaire pour de petits signaux d'entrée.

 

 

Reprenons le même montage que précédemment. Dans le monde digital, il ne peut recevoir que deux types d'entrées (« haut » et « bas ») et ne peut envoyer en sortie que deux types de réponses (« haut » et « bas »).

Remarquons que, lorsque l'entrée est basse, aucun courant ne parcourt le circuit, alors que, lorsqu'elle est haute, ce n’est pas le cas. Cela signifie que, même lorsque l'inverseur n’est pas utilisé activement, tant que l'entrée est haute, il consomme de l'énergie. Cela devient un problème lorsqu’il y a plusieurs millions de tels inverseurs dans un circuit, ''a fortiori'' dans un micro-processeur. C’est pour pallier ce défaut qu'a été inventé l'architecture CMOS décrite plus bas.

 

 

[[Fichier:CMOS Inverter.svg|right|thumb|250px|Un inverseur CMOS.]]

On utilise certes deux fois plus de transistors, mais le prix en vaut la chandelle : l'économie d'énergie est considérable.

 

 

Nous avons déjà vu que le MOSFET est intéressant d'un point de vue ''fonctionnel'', car il permet de réaliser des composants essentiels à savoir les portes logiques. Mais comment peut-on ''construire'' de tels composants ? C’est là l'autre intérêt des MOSFET : ils sont extrêmement simples à mettre au point.

 

 

Sans entrer dans le détail du fonctionnement (subtil) du MOSFET, voici les éléments qui le constituent :

En pratique, la source est reliée au corps, ce qui explique qu'elle serve de référence dans toute l'étude électrique du système.

 

 

Pour réaliser des MOSFET en pratique, on utilise des galettes de silicium (appelées ''wafers'') très pur. Celui-ci est dopé de manière adéquate par une association de procédés chimiques d'abrasion et de procédés physiques de photosensibilisation. Les pistes d'oxyde de silicium sont obtenues en oxydant le métal directement sur la galette à l'aide d'un laser, en présence d'oxygène et d'eau. On dépose enfin les pistes de silicium polycristallin (ou polysilicium).

L'échelle de gravure de ces pistes, de l’ordre de la dizaine de µm, permet de condenser près de 2 milliards de MOSFET sur une surface comparable à celle d'un ongle humain.

 

 

Notre modèle idéal de MOSFET souffre de quelques limitations. Les plus importantes concernent d’une part la « constante » ''K'' et d’autre part la consommation de courant.

pour une puce, avec ''f'' la fréquence d’utilisation (en Hz) et ''n'' le nombre de transistors concernés. Enfin, comme aucun condensateur n'est parfait, un léger courant de fuite s'échappe de la grille… Ces remarques, d'ordre pratique, sont essentielles pour la mise au point de micro-processeurs mais restent secondaires dans le cadre de la réalisation de circuits modestes.

 

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