Le transistor MOSFET : Structure et Principe de fonctionnement 

La structure de base du transistor MOSFET

Le transistor MOS (Métal Oxyde Semi-conducteur) à effet de champ est le dispositif le plus répandu dans l’industrie des semi-conducteurs, il est à la base de la fabrication de tout circuit intégré à technologie CMOS. Le premier brevet sur le transistor à effet de champ a été proposé en 1925 par J.E.Lilienfield et O.Heil [Lilienfeld, 1930] [Lilienfeld, 1933], puis étudié par W.B.Schockley et R.Pearson [W.Schockley and Pearson, 1948] en 1940. La structure MOSFET basée sur le système Si-SiO2 a été proposée par Martin John Atalla [Atalla, 1965]. La redécouverte du transistor à effet de champs n’a eu lieu qu’après la deuxième guerre mondiale, en 1952 pour le JFET, ensuite le MOSFET en 1960, par Kahng et Atalla.

Le transistor MOSFET est un dispositif constitué de quatre électrodes : la grille (G), la source (S), le drain (D) et le substrat (B). Ses principales caractéristiques sont la longueur de la grille, notée L, La largeur de grille, notée W, et l’épaisseur du diélectrique TOx .

Les différents types de transistors MOSFET

Selon la nature du substrat P ou N, on distingue deux types de transistors MOSFET. Nous pouvons alors concevoir sur un substrat de type P des MOSFETs à canal N nommés N-MOSFET ou NMOS, ou sur un substrat de type N des transistors à canal P només P-MOSFET ou PMOS.

D’autre part selon le procédé de fabrication nous pouvons distinguer des MOSFETs à enrichissement de canal ou des MOSFETs à appauvrissement de canal.

• Pour les transistors à appauvrissement de canal ou encore à dépletion (D MOSFET), les électrons allants de la source au drain sont obligés de passer par un mince canal entre la grille et le substrat . Dans le cas des transistors à appauvrissement de canal, un faible courant circule même en l’absence d’une tension de commande. Ces transistors deviennent de moins en moins conducteurs en augmentant la tension de commande pour finalement se bloquer à la tension VGSOF F [MERAD, 2014].
• Pour les transistors MOSFETs à enrichissement de canal dits E-MOSFET, le substrat cette fois-ci s’étend jusqu’au dioxyde de silicium, le courant de drain est à son tour nul, on dit aussi qu’il est normalement OFF. Quand la tension VGS atteint une certaine valeur de tension appelée tension de seuil VT h, une couche d’inversion se créer et le transistor devient de plus en plus passant [MERAD, 2014].

Principe de fonctionnement du MOSFET

Nous nous intéressons dans tout le reste de ce chapitre aux transistors MOSFETs à canal N et à enrichissement de canal afin d’expliquer le principe de fonctionnement de ce type de dispositif.

L’effet de champ
Le principe de ce transistor repose sur l’effet de champ, ce dernier consiste à une modulation électrostatique d’une densité de charges mobiles. La modulation des porteurs de charges est provoquée par un champ électrique perpendiculaire à la direction de mouvement de ces charges. La tension de grille-source notée VGS commande la quantité de charges alors que la tension source-drain VDS permet le mouvement de ces charges. On peut finalement dire que le principe de transport des porteurs dans le MOSFET repose alors sur la possibilité de modifier localement la nature du dopage du canal (inversion), et ceci par l’application d’un champ électrique « transversal » par l’électrode de grille à travers un isolant. Le transistor MOSFET se caractérise par deux régimes de fonctionnement:
• À forte tension de polarisation grille-source VGS, le courant de drain IDS est maximal,c’est le régime de saturation.
• À faible tension de polarisation grille-Source VGS, les charges mobiles minoritaires sont repoussées dans le substrat, et le courant de drain IDS diminue exponentiellement, on est alors dans le régime sous le seuil, dit de blocage.

Recombinaison Schockley-Read-Hall (SRH)

Ce mécanisme est le mode de recombinaison qui domine dans le silicium. Ce mécanisme a été décrit pour la première fois par Shockley et Read en 1952 [Shockley and Read, 1952]. Dans le modèle SRH , la recombinaison n’a pas lieu par transition directe d’un électron de la bande de valence  » BV » vers la bande de conduction « BC » mais se fait plutôt par l’intermédiaire d’un centre de recombinaison dont le niveau d’énergie est situé dans la bande interdite « BI » . Nous le décrirons dans ce qui suit avec un seul centre de recombinaison monovalent, ce qui veut dire qu’avec un défaut on peut avoir que deux états de charge.

Le transport balistique ou quasi-balistique

Lorsque la longueur de grille est réduite jusqu’à seulement quelques dizaines de nanomètres, les dispositifs s’approchent de la limite balistique. Le transport balistique décrit le transport dans le canal, pour des transistors ultra-courts, lorsque la distance entre la source et le drain devient plus petite que le libre parcours moyen entre deux collisions, les porteurs ne subissent aucune interaction pendant le transport dans le canal. C’est une limite balistique qui définit la valeur maximale que le courant peut atteindre .

L’extraction des paramètres de transport dans les MOSFETs nanométriques

La mesure de la mobilité dans les transistors de taille très réduite pose des problèmes. Plusieurs méthodes expérimentales ont dûes êtres adaptées pour tenir compte des évolutions technologiques des transistors MOSFETs.

La technique expérimentale la plus utilisée pour déterminer la mobilité dans les transistors est la méthode Split-CV qui permet de représenter la mobilité effective en fonction de la densité des porteurs dans le canal, ou le champ effectif perpendiculaire au canal [Ekstedt and Moll, 1982]. Cette méthode s’applique pour des dispositifs micro-électronique, alors que pour l’appliquer sur des dispositifs nanométrique, il faut qu’elle soit modifiée [Ghibaudo, 2005].

Les effets canaux courts

Une miniaturisation des composants correspond principalement à une réduction de la longueur de grille. Les effets canaux courts, SCE (Short Channel Effects ) se produisent lorsque la longueur de la grille LG devient comparable à la somme des zones déplétées autour de la source et du drain. Lorsque ces deux zones se rejoignent, le potentiel au centre du canal est fortement modifié. Ainsi, la barrière de potentiel formée dans le canal diminue et la tension de seuil diminue à son tour.

Il se trouve que dans les transistors MOSFETs à canal long, les équipotentielles sont parallèles à la grille et le canal est alors confiné à l’interface. Tandis que pour les transistors à canal court , la distribution du potentiel est modifiée et les équipotentielles se déforment en direction du substrat, par conséquent le canal n’est plus contrôlé par la grille exclusivement. Ce phénomène est à l’origine des effets de canaux court SCEs. Remarquons alors que lorsqu’on applique une tension négative sur l’électrode de drain, la barrière de potentiel entre le canal et le drain diminue fortement. L’abaissement de cette barrière provoque le passage des porteurs dans le canal quelque soit la tension de grille appliquée. Ainsi, la grille ne contrôle plus le courant de drain, c’est ce qu’on appelle en Anglais : “Drain Induced Barrier Lowering ou DIBL” .