NMOS vs. PMOS : une comparaison complète

Les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) sont devenus des composants fondamentaux des circuits numériques et analogiques de l'électronique moderne. On peut les classer en deux grands types : NMOS (MOSFET à canal N) ,  PMOS (MOSFET à canal P), Chaque type présente des propriétés et des cas d'utilisation différents. Il est important de comprendre leurs différences pour développer des circuits efficaces. En technologie CMOS (Complementary Metal-Oxyde-Semiconductor), ils sont également logiquement combinés.

Ce guide vous expliquera les NMOS et les PMOS avec leurs symboles, le sens du flux de courant, les tensions de seuil, la structure, le fonctionnement et les applications.

Que sont les transistors NMOS et PMOS ?

NMOS (MOSFET à canal N) : Une forme de MOSFET, dont le canal contient un matériau semi-conducteur de type N. Si la tension de grille est appliquée, le courant circule.

PMOS (MOSFET à canal P) : Un MOSFET de type P ou à canal P. Il conduit en réponse à une tension de grille négative (inférieure à un seuil).

L'effet corporel

L'effet de corps est l'effet d'une polarisation (inverse) entre la jonction source et le corps (ou la borne du substrat) conduisant à un changement de seuil.

· Dans le NMOS, la tension de seuil augmente lorsque le corps est à une tension inférieure à celle de la source.

· Cela signifie que si pour le PMOS, le corps est à une tension plus élevée que la source, la tension de seuil devient plus négative.

NMOS :

· Source et vidange : Régions dopées N.

· Substrat (Corps) : Dopé au P.

· Porte (G) : Contrôle la formation des canaux.

PMOS :

· D (Drain) et S (Source) : Zones dopées P.

· Substrat (Corps) : Dopé N.

· Porte (G) : Formation aux informations sur les chaînes.

NMOS vs. PMOS : principales différences

Différences structurelles entre NMOS et PMOS

MOSFETs Les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MES) sont largement utilisés en raison de leur faible consommation, de leur rendement élevé et de leur vitesse. Ils sont utilisés dans les circuits numériques et analogiques. Les NMOS (MOSFET à canal N) et les PMOS (MOSFET à canal P) sont les deux principaux types de MOSFET. Leurs différences structurelles jouent un rôle important dans leurs performances et leurs applications. Ces deux transistors se ressemblent car ils sont constitués d'une source, d'un drain, d'une grille, d'une couche d'oxyde et d'un substrat. Cependant, ils diffèrent par les dopants utilisés dans la jonction pn et la façon dont ils perçoivent le courant.

Structure du transistor NMOS

Dans notre exemple, un transistor NMOS est fabriqué sur un substrat de type p avec deux régions dopées de type n servant de source et de drain. Une grille en polysilicium ou en métal est placée sur la région du canal et séparée du substrat par une très fine couche isolante de dioxyde de silicium (SiO₂). La grille contrôle la conductivité du transistor en créant un champ électrique qui affecte le transport des porteurs dans le canal.

1. Substrat et dopage

· Substrat : type P (dopé positivement).

· Source et drain : type N (les dopants sont négatifs).

Lorsqu'aucune tension n'est appliquée à la grille, celle-ci reste bloquée et il n'y a aucun chemin conducteur entre la source et le drain. En revanche, si la borne de grille est alimentée par une tension positive, les électrons des régions source et drain sont attirés vers le canal. Cela crée une couche d'inversion de type N, permettant au courant de circuler du drain vers la source. Le courant est fonction de la tension grille-source V._GS et la tension drain-source V_DS.

2. Charge du porteur et flux de courant

· Transporteur : Électrons (haute mobilité)

· Mode actif : Drain vers la source à l'état ON.

3. 'Sorties de contrôle de porte et tension de trame d'entrée

· S'allume lorsque : la tension de grille est positive par rapport à la source (V_GS > V_th)

· Tension de seuil (V_th): Inférieur au PMOS.

Le NMOS utilise des électrons comme porteurs de charge, dont la mobilité est supérieure à celle des trous (utilisés par les transistors PMOS). Cette mobilité accrue des électrons permet des commutations plus rapides, ce qui rend les transistors NMOS idéaux pour les circuits numériques à haut débit. Cependant, ils souffrent également d'une consommation d'énergie statique, car ils fuient du courant lorsqu'ils sont désactivés.

4. Performances et efficacité

· Vitesse de commutation : plus rapide grâce à la mobilité des électrons.

· Résistance : Faible, conduisant à une meilleure efficacité et à une perte de puissance moindre.

5. Placement dans les circuits CMOS

· Utilisé dans : Réseau pull-down (raccordement à la terre).

Structure du transistor PMOS

Les transistors PMOS sont constitués d'un substrat de type N avec deux régions dopées de type P comme source et drain. À titre d'exemple, comme pour les NMOS, la grille repose sur le canal, séparé par une fine couche de SiO₂. Cependant, son fonctionnement est différent car les trous sont les porteurs de charge.

Comme un trou a une mobilité inférieure à celle d'un électron, les transistors PMOS sont toujours plus lents que les transistors NMOS. Cela entraîne des délais de commutation plus longs, ce qui rend les transistors PMOS moins adaptés aux applications à haut débit. Cependant, les transistors PMOS présentent des caractéristiques supérieures à l'état OFF, car ils consomment moins d'énergie, ce qui est un atout important pour les applications basse consommation comme les dispositifs alimentés par batterie. À ce propos, les transistors PMOS peuvent être utilisés dans les conceptions logiques numériques comme résistances de rappel (pull-up), garantissant que les nœuds du circuit sont à un niveau élevé lorsqu'ils le devraient.

1. Substrat et dopage

· Substrat : type n (dopé négativement).

· Substrat : type P (dopé positivement).

En l'absence de tension de grille, le transistor reste bloqué, sans canal conducteur. Cependant, lorsqu'une tension négative est appliquée à la grille, elle repousse les électrons de la région du canal, créant une couche d'inversion de type P. Cela permet aux trous de migrer de la source vers le drain, permettant ainsi la circulation du courant. Le transistor PMOS reste passant tant que la tension de grille est inférieure à la tension de source par rapport à la tension de seuil (V)._th).

2. Porteurs de charge et flux de courant

· Transport porteur : Trous (faible mobilité)

· Sens de fonctionnement : De la source au drain, nous allumons

3. Contrôles de porte et tension de seuil

· S'allume lorsque : la tension de grille est négative par rapport à la source (V_GS} < V_th).

· Tension de seuil (V_th): Plus grand que le NMOS.

4. Performances et efficacité

· Vitesse de commutation de polarisation : lente, selon la mobilité des trous

· Résistance : Plus grande, ce qui entraîne une dissipation de puissance plus importante.

5. Placement dans les circuits CMOS

· Utilisé dans : Filet de traction (connecté à Vdd)

Principes de fonctionnement du NMOS et du PMOS

Les transistors NMOS et PMOS peuvent être modélisés comme des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET). Dans les deux cas, leur comportement est contrôlé par la tension à la borne de grille (G), qui provoque ou non un courant entre les bornes de source (S) et de drain (D).

Mécanisme de fonctionnement du NMOS

1. Structure et porteurs de charge

· Le transistor NMOS représente un substrat de type P avec des régions de source et de drain de type N.

· La majorité des porteurs de charge sont des électrons.

2. État ON (mode actif)

· Lorsque VGS est négatif par rapport à la source et est supérieur à la tension de seuil (V_th), les électrons sont attirés entre la source et le drain, dans ce qu'on appelle une « couche d'inversion ».

· Cela forme un canal conducteur qui permet au courant de circuler du drain vers la source.

3. État désactivé

· Aucun canal conducteur n'est formé lorsque V_GS <V_th.

· Le transistor reste OFF et ne permet pas au courant de circuler.

4. Sens de circulation du courant

· Drain vers la source lorsque le transistor est ON.

5. Comportement clé

· Commutation rapide grâce à la grande mobilité des électrons.

· Résistance plus faible et plus efficace que le PMOS.

Mécanisme de fonctionnement du PMOS

1. Structure et porteurs de charge

· Le substrat est de type N et la source et le drain du transistor PMOS sont de type P.

· Les porteurs de charge majoritaires sont des trous.

2. État ON (mode actif)

· V_GS Pour une tension de grille négative par rapport à la source, une couche d'inversion de trous est formée entre la source et le drain.

· Cela forme un canal conducteur, permettant au courant de passer de la source au drain.

3. État désactivé

· Où V_GS > V_th (La tension de grille est élevée ou 0 V), aucun canal conducteur ne se forme.

· Lorsque le transistor est toujours OFF, aucun courant ne circule.

4. Sens de circulation du courant

· Lorsque le transistor est activé, il y a une connexion de la source au drain.

5. Comportement clé

· Faible mobilité des trous, ce qui entraîne une commutation plus lente

· Une plus grande résistance que le NMOS, ce qui entraîne plus de pertes de puissance

NMOS et PMOS : comparaison des principes de fonctionnement

Applications des transistors NMOS et PMOS

Ces transistors partagent différentes applications selon leurs propriétés conductrices. Ils sont couramment utilisés dans les circuits de commutation et d'amplification.

Comme les commutateurs

NMOS comme commutateur

· La configuration habituelle des transistors NMOS est un commutateur côté bas (masse).

· Si la tension de grille est élevée (V_GS > V_th), le commutateur NMOS est activé et le courant circule dans le canal du drain à la source.

· Lorsque le NMOS est OFF (V_th > V_GS), bloque le flux de courant.

Avantages :

· Mobilité électronique élevée, ce qui conduit à une commutation plus rapide.

· Résistance ON réduite pour une efficacité améliorée.

PMOS comme commutateur

· Les transistors PMOS sont utilisés dans la commutation côté haut (connectée à l'alimentation).

· Le PMOS s'éteint lorsque VGS est supérieur à Vth.

Avantages :

· Utilisé pour la commutation d'alimentation dans les appareils fonctionnant sur piles.

En tant qu'amplificateurs

NMOS comme amplificateur

· Amplificateurs à source commune pour le gain de tension.

· Fonctionne en faisant varier le courant de drain par de petits changements dans la tension de grille.

Avantages :

· Applications RF et haute fréquence, car elles permettent d'obtenir un gain élevé et une vitesse élevée.

· Moins de distorsion qui améliore ou dégrade la qualité du signal.

PMOS comme amplificateur

· Ceci est destiné aux circuits analogiques mais est moins courant que les amplificateurs NMOS.

Avantages :

· Performances fixes dans les circuits analogiques basse fréquence.

· Utilisé comme conception d'amplificateur à faible puissance.

Technologie CMOS – Combinaison NMOS et PMOS

La technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) est une technologie de semi-conducteurs largement utilisée dans la conception de circuits numériques. Combinant des NMOS (MOSFET à canal N) et des PMOS (MOSFET à canal P), elle permet d'obtenir une faible consommation d'énergie, une vitesse élevée et un rendement amélioré. Au fil des ans, la technologie CMOS est devenue la base des microprocesseurs, des puces mémoire et des circuits logiques modernes, et joue un rôle essentiel dans la quasi-totalité des appareils électroniques actuels.

Le principal avantage du CMOS par rapport à la plupart des circuits logiques CMOS mono-NMOS ou PMOS réside dans sa faible dissipation de puissance. Le CMOS ne dispose d'une puissance importante que lors de la commutation, contrairement au circuit logique NMOS qui consomme de l'énergie statique en raison d'une résistance de rappel vers le bas. Cette propriété rend le CMOS particulièrement adapté aux dispositifs alimentés par batterie et aux grands circuits intégrés (LSI).

1. Structure du CMOS

· Les circuits CMOS sont des combinaisons de transistors NMOS et PMOS.

· Les transistors NMOS fonctionnent comme un interrupteur pull-down (la sortie est connectée à la masse lorsqu'elle est active)

· Le transistor PMOS est une forme de commutateur pull-up (actif connectant la sortie à Vdd)

· Cette paire agit de manière complémentaire en minimisant la dissipation de puissance, puisqu'un seul transistor va fonctionner.

2. Fonctionnement des portes logiques CMOS

L'exemple le plus simple est un inverseur CMOS (porte NON) :

· Lorsque l'entrée est HAUTE (1) → NMOS ON, PMOS OFF → La sortie sera BASSE (0)

· Si l'entrée est BASSE (0), alors le PMOS devient ON, le NMOS devient OFF et la sortie devient HAUTE (1).

Pour les circuits logiques numériques (portes AND, OR, XOR, NAND, NOR), cela signifie que le CMOS est une porte idéale.

3. Avantages du CMOS

· Moins de consommation d'énergie : Le CMOS ne consomme de l'énergie que lors de la transition, tandis que le NMOS ou le PMOS ont un courant qui circule en continu.

· Moins influencé par le bruit : Les circuits CMOS sont en effet moins influencés par le bruit du système, ce qui les maintient stables.

· Vitesse de commutation rapide : La vitesse réalisée en CMOS est plus élevée qu'en PMOS car le NMOS a une faible résistance.

· Évolutivité: La technologie CMOS s'adapte bien à la taille des transistors, ce qui en a fait la pierre angulaire de la fabrication moderne des semi-conducteurs.

CMOS vs. NMOS vs. PMOS

Conclusion

Il est donc important de connaître les différences entre NMOS et PMOS avant de concevoir des circuits électroniques performants. Le NMOS offre une commutation plus rapide, tandis que le PMOS fournit une logique complémentaire au CMOS. Les circuits intégrés modernes doivent à la fois consommer peu d'énergie et offrir des performances élevées.