jeudi 9 juillet 2015

CMOS

De nos jours les circuits intégrés logiques sont fabriqués sur des galettes de silicium monocristallin d'une pureté de 99,999 999 99% en utilisant la technologie appellée CMOS. Dans cette article j'explique ce qu'est la technologie CMOS.

Transistor à effet de champ

Le composant actif de l'électronique moderne est le transistor. Les premiers transistors mis en marché étaient basés sur le germanium et étaient de type bipolaires. Mais rapidement le silicium a remplacé le germanium et les transistors à effet de champ ont remplacé les bipolaires. Plus spécifiquement il s'agit de transistors MOSFET ce qui est un acronyme anglophone pour Metal Oxide Semiconductor Field Eeffect Transistor. Il y a 2 types de transistors MOSFET, P-MOSFET et N-MOSFET. Ensemble ils forment une paire complémentaire d'ou l'acronyme anglophone CMOS qui signifie Complementary Metal Oxide Semiconductor.

Complémentaire

Un transistor MOSFET a 3 électrodes, le Drain, la Source et le Gate. Le G est l'électrode de contrôle, c'est à dire qu'elle permet de contrôler le courant qui circule entre le drain et la source. Le semi-conducteur de silicium situé entre le drain et la source s'appelle Channel (canal). Ce canal est séparé du gate par une mince couche d'oxyde de silicium qui est un isolant électrique. Il n'y a donc pas de courant qui circule entre le gate et la source ou le drain. Le contrôle est assuré par le champ électrique entre le gate et le canal créé par la tension appliquée sur le gate.

structure d'un transistor MOSFET

Les transistors MOSFET utilisés dans les circuits logiques sont de type enrichi. Les transistors à enrichissement ne conduisent pas lorsqu'il n'y a aucun voltage entre le gate et la source. C'est parfait pour les circuits logiques, pas de voltage le courant ne passe pas, on applique un voltage et le courant passe, c'est naturellement binaire.

Dépendant de l'élément chimique utilisé pour enrichir1 le canal, le transistor sera de type P ou N. les symboles électroniques sont les suivants:

Les transistors N-MOSFET fonctionnent avec le drain à un voltage positif par rapport à la source et il faut appliquer un voltage positif sur le gate par rapport à la source pour les mettre en conduction.

Les transistor P-MOSFET fonctionnent avec le drain à un voltage négatif par rapport à la source et il faut appliquer un voltage négatif sur le gate par rapport à la source pour les faire conduire.

Une paire complémentaire est contruite comme ceci:

Lorsque l'entrée est au voltage Vss le transistor N-MOSFET est bloqué tandis que le P-MOSFET conduit on a donc à la sortie Vdd. L'inverse se produit lorsque l'entrée est à Vdd, on a donc un inverseur. Ce montage complémentaire est la base de toutes les portes logiques qui construisent un microprocesseur. A titre d'exemple voici le montage d'un NOR GATE:

Tenant que de ce qui est écris au paragraphe précédent vous pouvez comprendre le fonctionnement de ce circuit.

On pourrait très bien construire un ordinateur en utilisant des transistors élémentaires complémentaires comme le 2N700 qui un N-MOSFET et le TP0606N3 qui est un P-MOSFET. Cependant il en faudrait des milliers. James Newman a d'ailleurs entrepris un tel travail, sauf qu'il n'utilise pas de paires complémentaires, seulement des NMOS. Le premiers MCU comme le 6502 du Apple II était construit en NMOS. Mais les 6502 d'ajourd'hui frabriqués par Western Design Center sont en CMOS d'ou le C dans W65C02.

L'avantage du CMOS est la faible consommation de courant. En effet s'il n'y a pas de charge de branchée à la sortie aucun courant ne passe à travers le transistor qui est en conduction. Le courant ne circule entre les 2 transistors qu'au moment de la commutation. Pendant un bref instant les 2 transistors sont en conduction partielle lorsque le voltage sur le gate est à mi-chemin entre Vss et Vdd. Comme le circuit d'un MCU est construit de portes logiques dont les sorties sont branchées sur des entrées d'autres portes logiques, le seul courant qui circule à l'intérieur du MCU est le courant de transition entre 2 états. C'est pour cette raison que lorsqu'on met un MCU en sommeil profond, c'est à dire lorsque le signal clock est arrêté, il ne consomme que des nanoampères.

Ceci explique aussi pourquoi les manufacturiers nous disent de ne pas laisser les entrées flottantes. En effet ces entrées étant à très haute impédance réagissent à tous les champs électromagnétiques environnant ce qui fait commuter les portent d'entrées rapidement de façon aléatoire d'où une consommation accru du micro-contrôleur.


notes

  1. Pour avoir un semi-conducteur de type N on introduit dans le silicium des atomes qui ont 5 électrons de valence comme le phosphore, l'arsenic et l'antimoine. Pour obtenir un semi-conducteur de type P on introduit dans le silicium des atomes qui ont 3 électrons de valence comme le bore et l'indium. Ces éléments sont introduits en très faible quantité .

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