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1 / 8 Un transistor coupé en deux Voici un MOSFET à canal n, coupé par le milieu et représenté des centaines de milliers de fois plus grand que nature. Deux îlots bleus de silicium de type n, la source et le drain, sont enchâssés dans un substrat de type p. Avec 0 V sur la grille et 2 V sur le drain, l’ampèremètre indique zéro.
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01 Un transistor coupé en deux Voici un MOSFET à canal n, coupé par le milieu et représenté des centaines de milliers de fois plus grand que nature. Deux îlots bleus de silicium de type n, la source et le drain, sont enchâssés dans un substrat de type p. Avec 0 V sur la grille et 2 V sur le drain, l’ampèremètre indique zéro.
02 Du silicium avec quelques atomes étrangers Le silicium pur conduit mal, car chaque électron externe est retenu dans une liaison. Ajoutez un atome de phosphore : son cinquième électron se promène librement, ce qui donne du silicium de type n. Le bore n’en a que trois, si bien qu’il manque un électron à une liaison. Ce manque, le trou, saute de liaison en liaison.
03 La grille repousse les trous À 0,5 V, la grille porte un peu de charge positive. Elle ne peut pas toucher le silicium, puisque 10 nm d’oxyde les séparent, mais son champ traverse l’oxyde et chasse les trous vers le bas. Près de la surface restent des ions bore négatifs fixes : une zone de déplétion.
04 Au-delà du seuil, un canal apparaît Au-dessus du seuil de 0,7 V, le champ attire assez d’électrons à la surface pour la rendre de type n. Cette fine couche d’inversion relie la source au drain. À 1,2 V, le canal contient environ 72 000 électrons et l’ampèremètre affiche 0,22 mA.
05 Un peu plus de grille, beaucoup plus de courant Dans le modèle de la loi quadratique, le courant croît comme le carré de la tension au-dessus du seuil. À 2,5 V, il atteint 2,8 mA. Le drain n’est qu’à 2 V : le canal s’amincit vers le drain et se pince à son extrémité, et augmenter maintenant la tension de drain ne change presque rien.
06 Deux transistors font un interrupteur La carte de droite place un transistor à canal p au-dessus d’un transistor à canal n. Avec 3,3 V en entrée, le nMOS conduit et tire la sortie à 0 V, et la LED s’éteint. Descendez le curseur d’entrée de l’inverseur et le pMOS prend le relais. À chaque extrémité, un transistor est bloqué, si bien que presque aucun courant ne passe.
07 Une petite oscillation devient grande La grille oscille maintenant de 50 mV de part et d’autre de 1,2 V. Le courant suit, à raison de 0,86 mA par volt d’oscillation de la grille. Envoyée dans une résistance de 10 kΩ, cette variation de courant fait bouger la sortie 8,6 fois plus que l’entrée. C’est l’amplification.
08 D’un seul à seize milliards La puce au premier plan représente le M1 d’Apple, qui selon Apple compte 16 milliards de transistors ; à raison d’un par seconde, il faudrait 507 ans pour les compter. À côté se trouve une réplique du premier transistor, le dispositif à pointes que Bardeen et Brattain ont fait fonctionner aux Bell Labs en décembre 1947.
Substrat de type p Le corps en silicium, dopé au bore à environ 10¹⁷ atomes par cm³, soit un pour 500 000 atomes de silicium. Ses charges libres sont des trous (anneaux rouges). Source (n+) Un îlot fortement dopé au phosphore, environ un atome sur 500. Il est plein d’électrons libres (points bleus) et fournit les électrons qui traversent le canal. Drain (n+) Un îlot identique à la source. Quand il porte une tension positive, les électrons arrivés par le canal repartent par le contact du drain. Oxyde de grille Du dioxyde de silicium, épais de 10 nm dans le modèle. Il isole la grille, qui n’agit donc sur le silicium que par son champ électrique et ne consomme aucun courant continu. Grille L’électrode de commande posée sur l’oxyde. Sa tension décide s’il existe un canal. Les signes plus pâles montrent sa charge positive. Couche d’inversion (canal) Une fine nappe d’électrons attirée à la surface dès que la grille dépasse le seuil de 0,7 V. Son épaisseur suit le profil de charge de la loi quadratique, si bien qu’elle s’amincit vers le drain. Zone de déplétion La couche sous la grille d’où les trous ont été chassés, laissant des ions bore négatifs fixes (tirets bleu foncé). Elle s’approfondit jusqu’au seuil, puis cesse de grandir. Contacts et circuit extérieur Des plots de tungstène et des pastilles d’aluminium relient la source et le drain à une alimentation et à un ampèremètre. La grille a son propre plot à l’arrière, avec le bouton rouge. Réseau de silicium dopé Les atomes de silicium mettent leurs électrons en commun par paires. Le phosphore (P) apporte un électron de trop, le bore (B) un de moins, et celui qui manque est un trou. Inverseur CMOS Un transistor à canal p au-dessus d’un transistor à canal n, grilles reliées. La sortie est l’inverse de l’entrée. Le petit écran trace la sortie en fonction de l’entrée. Boîtier de puce Une puce de processeur sur son boîtier. Le M1 d’Apple compte 16 milliards de transistors. L’Intel 4004 de 1971 en comptait 2300. Transistor à pointes, 1947 Réplique du dispositif des Bell Labs : deux contacts en or très rapprochés, tenus par un coin en plastique et appuyés sur une petite plaque de germanium.
