Modélisation et simulation du bruit de fond dans le transistor MOS (Metaphoriser Semiconductor ) à canal long

²².1 Le principe de fonctionnement du transistor MOS:

Les transistors MOS (Metaphoriser Semiconductor Field-Effect Transistor), appelé transistor à effet de champ à métal oxyde semi-conducteur, de type N et P (NMOS et PMOS) font partie du groupe des transistors à effet de champ à grille isolée. Le MOSFET est un des composants majeurs utilisés dans les dispositifs électroniques. Le principe de fonctionnement a été décrit pour la première fois par W. Shockley en 1952. Il repose sur la modulation du courant passant entre les électrodes de drain et de source. Cette modulation est commandée par la tension appliquée sur l'électrode latérale de grille. Ce dispositif présente l'avantage d'être unipolaire : un seul type de porteur participe à la conduction du courant.

Il existe deux types de transistors MOS : à appauvrissement et à enrichissement. Le transistor MOS à enrichissement a été utilisé dans cette étude et son fonctionnement y est donc détaillé.

Le transistor MOS consiste en un substrat semi-conducteur sur le quel repose une fine couche d'oxyde isolant ( SiO₂ ), d'épaisseur t_ox .Une couche conductrice (métal ou polysilicium

fortement dopé) appelé l'électrode de grille est aussi déposée sur l'oxyde. Enfin, deux régions
fortement dopées de profondeurs X_J , appelées source et drain, sont formées dans le substrat

de part et d'autre de la grille. La structure de base d'un transistor n - MOS est représentée à la figure II-1. En raison du procédé de fabrication, la grille recouvre légèrement les régions de source et de drain. La région entre les jonctions de source et de drain est appelée la région du canal, et est définie par sa longueur L_eff et sa largeur W.

A l'aide de la figure II-2, nous allons rappeler le principe des déférents modes de
fonctionnement du TMOS. Lorsqu'une tension V_gb est appliquée entre la grille et le substrat, la

structure de bande prés de l'interface Si - SiO₂ est modifiée. Pour le moment, nous supposons
que la source et le drain sont à la masse ( V sb = V_db = 0 ); dans ce cas, trois situations peuvent

être distinguées (dans la région du canal): accumulation, déplétion et inversion, comme indiqué aux figures II-2.a, II-2.b et II-2.c, respectivement.

Figure II.1 : structure d'un transistor MOS de type n.

Pour des tensions de grille négatives, les trous sont attirés à la surface et une très fine couche
de charges positives (la couche d'accumulation) est alors formée (figure II-2a). Avec
l'augmentation de V_gb , la courbure des bandes devient plus faible, jusqu'à une certaine valeur

où il y'a plus de courbure des bandes .Cette valeur particulière de tension de grille est appelée la tension de bande plate V_fb .

Au-delà de ce point, la courbure des bandes est opposée à celle en accumulation, une charge négative (due aux accepteurs immobiles), appelée charge de déplétion (figure II-2b).

Quand la tension de grille augmente encore plus, la courbure des bandes devient plus prononcée. Cette courbure peut résulter en un croisement du niveau de fermi intrinsèque E_i avec le niveau de fermi E_fp (Figure II-2c). Dans cette situation, la surface du

semi-conducteur se comporte comme un matériau de type n, d'où le nom de région d'inversion .Une couche conductrice composée de charges négatives mobiles (électrons) est alors formée : c'est la charge d'inversion . Cette charge écrantant la couche de déplétion, cette dernière n'est alors plus que faiblement dépendante de la polarisation de la grille. En conséquence le couplage entre l'extension de la courbure des bandes dans le silicium et l'augmentation de la tension de grille est alors fortement réduit.

CHAPTRE ²² Structure et principe de fonctionnement du transistor MOS page :20

(a)Régime d'accumulation, V_gb < V_fb .

(b)Régime de déplétion, V_gb > Vfb.

(c)Régime d'inversion, V_gb >> Vfb.

Figure II-2: Distribution des charges et diagrammes des bandes d'énergie correspondants,
dans un transistor n-MOS.

On parle d'inversion forte lorsque la densité de charge mobile dans la couche d'inversion est supérieure à la densité de charge fixe dans la couche de déplétion.

La charge d'inversion peut alors être mise en contact via les régions de source et de drain, et
ainsi, un courant peut circuler dans le canal lorsqu'une différence de potentiel V_ds est

appliquée entre le drain et la source. Puisque la charge d'inversion dépend fortement du potentiel appliqué à la grille, cette dernière peut alors être utilisée pour moduler le niveau du courant circulant dans le canal [12].