Transistor MOS

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    14-Jun-2015

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<p>Transistor MOSSOMMAIREChapitre 1 Introduction Gnrale______________________________________________111. 1 Introduction________________________________________________________________131. 2 Intrt des circuits intgrs CMOS basse tension d'alimentation et faible consommation_______________________________________________________________________________131. 3 Consquences de la rduction de la tension dalimentation dans les circuits analogiques_151. 4 Cadre de ltude_____________________________________________________________171. 4. 1 Filtre monolithique trs basse frquence de coupure_____________________________181. 4. 2 Multiplieur CMOS_________________________________________________________201. 5 Organisation de la thse_______________________________________________________20Chapitre 2 Transistor MOS___________________________________________________232. 1 Introduction________________________________________________________________252. 2 Le transistor MOS___________________________________________________________252. 3 Modles du transistor MOS___________________________________________________262. 3. 1 Rgime Statique_________________________________________________________________262. 3. 1. 1 Rgime d'quilibre et rgime de dpltion_________________________________________272. 3. 1. 2 Rgime de la faible inversion___________________________________________________272. 3. 1. 3 Rgime de forte inversion______________________________________________________292. 3. 1. 4 Rgime de l'inversion modre__________________________________________________302. 3. 2 Les modles EKV (Enz, Krummenacher, Vittoz) et ACM(advanced compact model): __________302. 3. 3 Transistor MOS en rgime AC petit signal_____________________________________________322. 3. 3. 1 Les paramtres en petit signal___________________________________________________322. 3. 3. 2 Les capacits parasites________________________________________________________332. 3. 4 Modle de bruit__________________________________________________________________362. 3. 5 Les limitations du transistor MOS:___________________________________________________372. 3. 5. 1 Effet de la modulation du canal_________________________________________________372. 3. 5. 2 Rduction de la mobilit_______________________________________________________382. 3. 5. 3 Effet de substrat_____________________________________________________________392. 3. 5. 4 Effet de la temprature________________________________________________________402. 3. 5. 5 Le phnomne DIBL (Drain Induced Barrier Lowering)______________________________412. 3. 5. 6 Le phnomne Punch-through (ou Subsurface DIBL)________________________________422. 3. 5. 7 Erreur dappariement des transistors_____________________________________________422. 3. 6 Dimensionnement des transistors____________________________________________________432. 7 Transistors pour rduire la tension dalimentation________________________________452. 7. 1 Transistor Command par le substrat (BD-MOS)________________________________________462. 7. 2 Transistor multiples entres et grille flottante (MIFG-MOS):____________________________472. 7. 2. 1 Effet des charges piges______________________________________________________502. 7. 2. 2 Effet des capacits parasites et de lerreur des rapports des capacits____________________512. 8 Fonctions analogiques trs faible tension dalimentation__________________________522. 9 Fonctions analogiques trs faible consommation_________________________________532. 10 Conclusion_________________________________________________________________54Chapitre 3 OTA Faible Tension et Faible Consommation Pour Applications Basses Frquences________________________________________________________________553.1 . Introduction:_______________________________________________________________573. 2 Considrations gnrales______________________________________________________583. 2. 1 OTA faible transconductance, faibles consommation et tension dalimentation_______593. 3La paire diffrentielle en faible inversion:_______________________________________613. 3. 1 Linarit en mode diffrentiel:______________________________________________________613. 3 .2Plage dentre en mode commun:___________________________________________________633. 4 Techniques de linarisation____________________________________________________643. 4. 1 Paire diffrentielle avec dgnrescence de source_______________________________________643. 4. 2 Paire diffrentielle Asymtrique:____________________________________________________653. 4. 3 Structures base de transistors BD-MOS et MIFG-MOS_________________________________663. 4. 3. 1 Paire diffrentielle BD-MOS___________________________________________________663. 4. 3. 2 structure propose par [Sar97]__________________________________________________683. 4. 3. 3 Paire diffrentielle MIFG-MOS_________________________________________________693. 5. Nouvelles architectures proposes:_____________________________________________713. 5. 1 Linarisation par annulation de la distorsion cubique_____________________________________713. 5. 1. 1 Tension minimale d'alimentation________________________________________________743. 5. 1. 2 Structure de sortie de lOTA:__________________________________________________74a -Augmentation de la rsistance de sortie avec des transistors cascodes______________________74b - Augmentation de la rsistance de sortie avec des transistors composites____________________76c - Circuit complet de l'OTA_________________________________________________________783. 5. 2 deuxime architecture propose: Linarisation par dgnrescence de source via des transistorsMIFG-MOS:_________________________________________________________________________793. 6 Analyse des erreurs dues aux effets secondaires:__________________________________823. 6. 1 Effet des capacits parasites et de lerreur des rapports des capacits:_______________________833. 6. 2. Effet des charges piges dans loxyde de grille:_______________________________________843. 6. 3. Effet dappariement des transistors__________________________________________________853. 6. 4. Bande passante:_________________________________________________________________873. 6. 5 Calcul du Bruit__________________________________________________________________893. 6. 6 Rapport signal sur bruit____________________________________________________________903. 7. Effet de la temprature_______________________________________________________913. 7. 1 Compensation de l'effet de la temprature_____________________________________923. 7. 1. 1circuit propos dans [Vit77]______________________________________________________923. 7. 1. 2 circuit propos dans [Ogu95]_____________________________________________________933. 7. 1. 3 Circuit de polarisation propos____________________________________________________943. 8 La valeur minimale de la transconductance:_____________________________________983. 9 Tests etRsultats____________________________________________________________993. 9. 1 Rsultats de tests de l'OTA_________________________________________________________993. 9. 2 Rsultats de tests du filtre OTA-C___________________________________________________1033. 10 Conclusion________________________________________________________________105CHAPITRE 4M ULTIPLIEURSETO PRATEURSN ON -L INEAIREM OS _________________________1074. 1 Introduction_______________________________________________________________1094. 2 Multiplieur en faible inversion________________________________________________1104. 2. 1 Un nouveau multiplieur base de transistor MIFG-MOS en faible inversion_________________1124. 2. 2 Analyse des erreurs dues aux effets secondaires________________________________________1154. 2. 2. 1 Offset et passage du signal____________________________________________________1164. 2. 2. 2 linarit du multiplieur_______________________________________________________1174. 2. 2. 3 Rponse frquentielle________________________________________________________1184. 2. 2. 4 Bruit_____________________________________________________________________1184. 4 Multiplieurs base de transistors MOS en forte inversion_________________________1194. 4. 1 Multiplieur de type quadratique diffrentielle__________________________________________1194. 4. 2 Approche alternative_____________________________________________________________1224. 4. 3 Un nouveau multiplieur base de transistors MIFG-MOS en forte inversion_________________1244. 4. 3. 1 plage linaire du multiplieur___________________________________________________1254. 4. 3. 2 Tension dalimentation minimale du multiplieur:__________________________________1264. 4. 3. 3 Le choix des tailles des transistors et des rsistances________________________________1274. 4. 3. 4 Multiplication de la somme de tensions :_________________________________________1284. 4. 3. 5 Analyse des erreurs dues aux effets secondaires___________________________________1294. 4. 5. 1 Effet dappariement des transistors___________________________________________1294. 4. 5. 2 effet des erreurs des rsistances de sortie______________________________________1294. 4. 5. 3 Effet de la rduction de la mobilit___________________________________________1304. 4. 5. 4 Effet des charges piges et des capacits parasites :_____________________________1304. 4. 5. 5 Autres effets secondaires___________________________________________________1314. 4. 3. 6 Rsultats des simulations_____________________________________________________1314. 4. 3. 6. 1 Caractristique DC______________________________________________________1314. 4. 3. 6. 2 Tension doffset et passage du signal dentre (feedthrough)_____________________1324. 4. 3. 6. 3 Linarit du multiplieur__________________________________________________1334. 4. 3. 6. 4 Rponse frquentielle____________________________________________________1354. 4. 3. 6. 5 Bruit_________________________________________________________________1354. 5 Multiplieurs avec des transistors en rgime Ohmique de la forte inversion:__________1364. 5. 1Cellule multiplicatrice___________________________________________________________1374. 5. 1. 1 Plage dentre des signaux____________________________________________________1394. 5. 2 Amliorations possibles________________________________________________________1394. 6 Choix et comparaison________________________________________________________1414. 7 Principes doprations non-linaires MOS______________________________________1414. 7. 1 Oprateur Carr_________________________________________________________________1424. 7. 2 Oprateur Racine Carre__________________________________________________________1424. 7. 3 Oprateur diviseur_______________________________________________________________1434. 8 Oprateurs multidimensionnels_______________________________________________1444. 8. 1 Oprateur produit-sommation______________________________________________________1444. 8. 2 Oprateur valeur moyenne________________________________________________________1454. 8. 2. a. Oprateur moyenne quadratique__________________________________________________1464. 8. 2. b. Oprateur moyenne arithmtique_________________________________________________1474. 9 Conclusion_________________________________________________________________148Conclusion gnrale____________________________________________________________149Annexe A_____________________________________________________________________165Annexe B_____________________________________________________________________167Annexe C_____________________________________________________________________168Chapitre 1Introduction Gnrale1. 1 IntroductionLes progrs technologiques dans les domaines de la microlectronique et des nanotechnologies ont permis la ralisation de systme de mesures miniaturiss. Cette tendance la miniaturisation est motive par la forte demande de nombreux secteurs dactivits quilsagissedquipements de mesure portables ou nomades,pour le domaine biomdical, multimdia ou lautomobileEn gnral, ces systmes sont constitus de fonctionsnonlectroniques(optiques, fluidiques, mcaniques.)auxquellesllectronique est associe. Cette dernire est de nature mixte, analogique/numrique, car malgr lengouement destechniques numriques pourletraitementdelinformation,lesfonctions analogiques restent ncessaires pour assurer linterfaage entre le signal physique de nature analogique etles fonctionsnumriques. Ces fonctions analogiques sont indispensables non seulement pour laconversionanalogique/numrique, maisaussi pour lepr-traitement du signal dlivr par le capteur. En effet, un lment important pour tout systme de mesure est sasensibilit. Pour optimiser cette sensibilit, il convient demettre enuvreunepr-amplificationetunfiltrageavantde convertir en grandeur numrique les signaux issus du capteur qui peuvent tre de trs faibles amplitudes, de faible frquence et noys dans du bruit. De part leurs tailles extrmement rduites, les microsystmes sont particulirement adapts pour des applications portables ou embarques. Afin de permettre cette portabilit, llectronique associe doit consommer le moins possible et fonctionner sous de faible tension dalimentation. Cettecontrainteest valablepour touslestypesdecircuits intgrsquils soient numriques ou analogiques. Nanmoins, elle est plus contraignante pour llectronique analogique, car ladiminutiondelatensiondalimentation entrane unedgradationdes performances de ce type de circuits comme on va le montrer dans les paragraphes suivants. 1. 2 Intrt des circuits intgrs CMOS basse tension d'alimentation et faible consommationAujourd'hui, on considre quun circuit est faible tension dalimentation sil peut fonctionner des tensions dalimentation infrieures ou gales 1.5 V.Il existe galement dautres critres pour dfinir les circuits et systmes faibles tensions d'alimentation, en liant par exemple la tension d'alimentation aux paramtres technologiques et le nombre de transistorsempilsentrelesdeuxrailsd'alimentation[Hog96]. Lafigure 1-1prsenteune prvision de la diminution de la tension dalimentation pour les annes venir.Figure 11 Evolution de la tension d'alimentation maximale (origine [Bas98])Trois facteurs corrls sont lorigine de cette demande de rduction de la tension dalimentation et de la consommation des circuits intgrs : Le premier concerne le dveloppement de technologies CMOS submicroniques profondes. Comme la longueur du canal du transistor MOS diminue conjointement avec les paisseurs de l'oxyde de grille qui peuvent atteindrent quelques dizaines de nanomtre, la tension d'alimentation doit tre rduite pour assurer le bon fonctionnement du transistor MOS [Vit94]. Ledeuximefacteur est lilaugmentationduniveaudintgrationdanslescircuits microlectroniques complexes. De plus en plus de fonctions lectroniques sont intgres par unit de surface, et de ce fait la consommation de chaque fonction doit tre rduite pour viter une dissipation de la puce lectronique trop importante. Le troisime facteur rsulte de l'explosion du march des produits portab...</p>