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1 - PRINCIPE DE BASE ET STRUCTURES DES TRANSISTORS MOS

2 - FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR IDÉAL

3 - EFFETS CORRECTEURS

4 - ARCHITECTURES DES PROCÉDÉS ET DES DISPOSITIFS MOS

5 - PERSPECTIVE DU DÉVELOPPEMENT DU TRANSISTOR MOS

Article de référence | Réf : E2430 v2

Principe de base et structures des transistors MOS
Transistor MOS et sa technologie de fabrication

Auteur(s) : Thomas SKOTNICKI

Date de publication : 10 févr. 2000

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Auteur(s)

  • Thomas SKOTNICKI : Docteur en microélectronique - Ingénieur de recherche à France Télécom - Centre national d’études des télécommunications (CNET) de Grenoble - Ingénieur ST Microelectronics

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INTRODUCTION

Le transistor MOS est, de loin, le dispositif le plus répandu dans la production actuelle de composants semi-conducteurs, car il est le composant de base de la technologie CMOS (Complementary MOS), qui, à elle seule, englobe plus de 70 % de la production mondiale de circuits intégrés.

Plusieurs sigles plus ou moins justifiés sont utilisés dans la littérature pour décrire le transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) : MOSFET (MOS Field Effect Transistor), IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) et MOST (Metal Oxide Semiconductor Transistor).

Le transistor MOSFET se caractérise par le fait que la grille, par l’effet de champ électrique, contrôle à travers l’oxyde de grille la densité de porteurs dans le canal du dispositif et ainsi l’intensité du courant dans le canal. Le canal est relié de part et d’autre à deux régions fortement dopées entre lesquelles est appliquée une tension donnant lieu à la circulation du courant. Ce transistor n’est qu’un élément d’une famille plus vaste de composants dits FET (Field Effect Transistor) utilisant l’effet de champ pour moduler l’intensité du courant dans un canal. En fait, on distingue trois groupes dans la famille des FET :

  • le IGFET, dont l’effet de champ provient d’une grille isolée du canal par un diélectrique mince ; actuellement, le diélectrique utilisé presque exclusivement, est l’oxyde SiO2 d’où la dénomination MOSFET ; cependant il faut remarquer que d’autres diélectriques, comme Si3N4, un empilement SiO2/Si3N4 ou un empilement SiO2/Ta2O5, peuvent aussi être utilisés ;

  • le JFET (Junction FET), dont l’effet de champ provient d’une jonction PN polarisée en inverse ; si la région P est la grille, elle module l’épaisseur du canal (région N) et, ainsi, son courant par l’extension de la zone de charge d’espace sous l’effet de la polarisation inverse de la jonction ;

  • le MESFET (Metal Semiconductor FET), dont l’effet de champ provient d’une jonction Schottky (métal-semi-conducteur) polarisée en inverse, le fonctionnement de la grille métallique étant analogue à celui de la grille du JFET.

Dans cet article concernant le transistor MOS (IGFET ou MOSFET), nous aborderons son fonctionnement ainsi que la technologie de fabrication. Le fonctionnement est décrit suivant trois niveaux de difficulté :

  • un niveau qualitatif, permettant d’acquérir une bonne intuition du principe de fonctionnement du transistor ;

  • un niveau « modèle simplifié », permettant de décrire le fonctionnement d’un transistor idéal ;

  • un niveau « modèle complet », permettant de comprendre tous les effets parasites, ainsi que ceux dits secondaires, et d’analyser leur impact sur les caractéristiques du transistor.

La partie technologique montre l’intérêt de tous les éléments de l’architecture du transistor et de leurs modes de réalisation technologique. Différentes architectures de transistors (par exemple, à canal surfacique, à canal enterré, à canal à hétérostructure, etc.) sont détaillées, ainsi que l’assemblage d’une technologie complète.

Nota :

Le fonctionnement et l’architecture des principaux types de circuits CMOS logiques, ainsi que les problèmes relatifs à l’intégration des circuits sur une puce de silicium sont présentés dans l’article Circuits intégrés CMOS sur silicium

Voir en fin d’article les tableaux Abréviations et Notations et symboles.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e2430


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1. Principe de base et structures des transistors MOS

1.1 Effet de champ

  • Le principe de fonctionnement d’un transistor MOS (Métal-Oxyde-Semi-conducteur) repose sur l’effet « de champ », qui consiste à moduler de façon électrostatique une densité de charges mobiles dans un semi-conducteur. Cette modulation est provoquée par un champ électrique perpendiculaire à la direction de mouvement de ces charges, et agissant entre deux électrodes séparées par un diélectrique, comme dans une capacité plane.

La figure 1 illustre l’effet de champ dans un transistor MOS schématisé :

  • l’une des électrodes (grille G) commande l’intensité du champ électrique et par conséquent la densité de charges électriques mobiles ;

  • l’autre (canal) possède deux contacts (dits de source S et de drain D) à ses extrémités, entre lesquels est appliquée une différence de potentiel.

Le canal conduit plus ou moins de courant en fonction de son niveau de remplissage en charges mobiles. De ce fait, le transistor MOS peut aussi être considéré comme une résistance modulable électrostatiquement et reliant deux contacts (source et drain).

En résumé, un transistor MOS (TMOS) peut être considéré comme une capacité plane, à la différence près que les charges d’une des faces sont mises en mouvement latéral. Dans cette structure, la tension de grille (VG) commande la quantité de charges et la tension de drain (VD) les met en mouvement.

  • Trois différences principales entre les dispositifs MOS et bipolaires sont à souligner, illustrées sur la figure 2.

  • Un seul type de porteur participe à la conduction d’un transistor MOS, à la différence d’un transistor bipolaire où les deux types de porteurs contribuent à la conduction. Pour cela, on dit qu’un TMOS est un dispositif unipolaire à l’encontre d’un transistor bipolaire.

  • La conduction est surfacique ou proche de la surface dans un transistor MOS, mais volumique dans un transistor bipolaire.

  • Le contrôle électrostatique de la conduction implique un courant de grille quasi nul et donc une très haute impédance d’entrée des dispositifs MOS,...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CAND (M.), DEMOULIN (J.-L.), LARDY, SENN (P.) -   Conception des circuits intégrés MOS,  -  Éditions Eyrolles et CNET-ENST, 1986.

  • (2) - ARRORA (N.) -   MOSFET Models for VLSI Circuit Simulation.  -  Springer Verlag 1993.

  • (3) - COLINGE (J.-P.), VAN DE WIELE (F.) -   Physique des dispositifs semi-conducteurs.  -  De Bœck-Wesmael, 1996.

  • (4) - SZE (S.-M.) -   Physics of semiconductor devices,  -  J. Wiley & Sons, 1981.

  • (5) - GROVE (A.-S.) -   Physics and technology of semiconductor devices,  -  J. Wiley & Sons, 1967.

  • (6) - SKOTNICKI (T.), MERCKEL (G.), PEDRON (T.) -   A new punchthrough current model based on the Voltage-Doping Transformation.  -  IEEE Transaction on Electron Devices, pp. 1076-1086, July 1988.

  • ...

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