nMOS

Un transistor nMOS est un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) dans lequel le canal conducteur entre la source et le drain est formé d'un matériau semi-conducteur de type n. Cela signifie qu'il est dopé avec des impuretés donneuses (généralement du phosphore ou de l'arsenic dans le silicium) qui fournissent un surplus d'électrons libres. Lorsqu'une tension positive est appliquée à la borne de grille, elle attire les électrons dans le canal, activant le composant et permettant au courant de circuler du drain vers la source. La mobilité des électrons dans le silicium de type n est environ deux fois supérieure à celle des trous dans le matériau de type p, c'est pourquoi les composants nMOS commutent plus rapidement et conduisent plus de courant pour une surface de puce donnée que leurs homologues pMOS.

Le nom reflète la structure physique : l'électrode de grille est placée au-dessus d'un mince isolant en dioxyde de silicium (l'oxyde), qui se trouve au-dessus du canal semi-conducteur. Dans le nMOS à mode d'enrichissement, la variante la plus courante dans les circuits intégrés, le canal n'existe pas à l'état bloqué ; l'application d'une tension de grille le crée. Dans le nMOS à mode d'appauvrissement, un canal existe par défaut et la tension de grille le pince, mais cette variante est maintenant rare en dehors des circuits RF et analogiques spécialisés. Les transistors nMOS modernes dans la logique et la mémoire sont généralement construits avec des longueurs de grille comprises entre 3 nanomètres et plusieurs centaines de nanomètres, avec des largeurs de canal variées pour atteindre la résistance à l'état passant et la vitesse de commutation souhaitées.

Où le nMOS domine

La logique nMOS a constitué la base des premiers microprocesseurs et reste le composant le plus rapide et le plus économe en énergie dans les circuits CMOS (MOS complémentaire), où les transistors nMOS et pMOS fonctionnent en paires push-pull. Dans un inverseur ou une porte CMOS, le nMOS tire la sortie vers la masse (logique 0) tandis que le pMOS tire vers la ligne d'alimentation (logique 1). Cette disposition minimise la dissipation de puissance statique car un transistor est toujours éteint. Pour cette raison, toute la logique numérique, les microcontrôleurs et les processeurs à grand volume depuis les années 1980 ont été construits en CMOS, et non en nMOS pur. La logique nMOS pure consomme un courant significatif même au repos et génère de la chaleur, ce qui la rendait impraticable pour les grandes puces.

Dans la mémoire, les transistors nMOS servent de portes d'accès dans les cellules DRAM et de composants programmables dans le stockage flash. Un transistor nMOS à grille flottante dans la mémoire flash peut être chargé ou déchargé en appliquant des tensions élevées pendant les cycles de programmation et d'effacement, et la présence ou l'absence de charge sur cette grille détermine si la cellule est lue comme 0 ou 1. La tension de seuil d'un tel transistor détermine son état ; les tensions de seuil dans une cellule flash moderne peuvent être contrôlées à quelques dizaines de millivolts près.

La dégradation physique des composants nMOS se produit par injection de porteurs chauds (des porteurs énergétiques frappant l'oxyde de grille et se retrouvant piégés), par électromigration dans les interconnexions métalliques et par instabilité de la température de polarisation négative (NBTI), qui affecte la tension de seuil au fil du temps. Les concepteurs doivent tenir compte de ces mécanismes lors de la définition des marges de tension et thermiques. Le composant nMOS reste l'élément de commutation dominant dans la fabrication de semi-conducteurs en raison de sa vitesse, de son faible encombrement et de sa compatibilité avec les processus mis à l'échelle jusqu'aux plus petites tailles de caractéristiques utilisées dans la production actuelle.