Les transistors MOS - MOS P 1960 - MOS N 1964

Les transistors MOS ont fait leur apparition tout d'abord en canal P. Les fabricants n'ont pas été en mesure de fabriquer des MOS canal N. En effet, le premier microprocesseur, le 4004 était en MOSP  (1971 ).
Le courant dans un semi-conducteur est donné par la formule:

J = q n μ E

où J la densité de courant, q la charge des porteurs, n la densité de charge,  μ la mobilité des porteurs et E la tension appliquée . Seule la mobilité des porteurs est dépendante du matériau. Quelques valeurs de mobilité sont indiquées dans le tableau ci-dessous elles sont exprimées en cm²/Vs:

La mobilité des trous dans le silicium est 3 fois plus lente que celle des électrons. Si on souhaite réaliser deux transistors ayant les mêmes performances un canal P et un N , c'est impossible, si on souhaite une même résistance de canal il faudra jouer sur leurs dimensions ce qui  entraînera moins de sensibilité ou tension de claquage plus faible.
 Le choix de MOS P a été dicté par les problèmes de réalisation. Les circuits MOSP aux performances modestes n'ont pas été plébiscités par les utilisateurs. L'horloge du 4004 réalisée en MOS P en 1971 n'était que 108kHz.
 Les premiers transistors MOS canal P sont apparus en 1960 chez RCA - réalisés par Karl Zaininger et Charles Meuler et chez Fairchild par Chih-Tang-Sah
 En 1962, Fred Heiman et Steven Hofstein de RCA sortent le premier circuit intégré incluant 16 transistors
Le premier MOS N est commercialisé par RCA en 1964 (le 3N98)

Circuits CMOS
C'est en 1963 que Frank Wanlass fait breveter

Low Stand-By Power Complementary Field Effect Circuitry

Au départ, les CMOS ont été présentés essentiellement comme des circuits qui ne consomment pratiquement rien au repos, ce qui est vrai, mais ces circuits vont bien au delà de leur faible consommation. exemple: les portes  CMOS ci dessous, on remarque leur extrême simplicité, pas d'autres composants que les transistors, les entrées ont une très grande impédance , juste les capacités grille substrat à charger

Cependant, les premiers circuits CMOS que RCA commercialise en 1968 , la fameuse série CD4000, vont voir un problème délicat qui sera résolu ultérieurement , l'effet de "Latch Up".

Explication du phénomène de Latch Up ou effet thyristor:
Considérons le croquis simplifié d'une porte inverseuse CMOS

cheminons entre Vdd et Vss nous traversons une couche P+ , substrat N, caisson P du MOS N et la couche N+ soit P,N,P,N
or il existe un composant qui est constitué de ces 4 couches, c'est le thyristor

on sait que dans un thyristor, si nous alimentons l'anode A avec une tension positive par rapport à la cathode K, c'est la couche N1,P2 qui bloque la tension. Si on injecte des porteurs N dans la couche P2 à l'aide de la grille G cette barrière de potentiel disparait et le thyristor se met à conduire. Il faudra faire cesser le courant pour qu'il puisse se rebloquer. Considérons maintenant le schéma équivalent du thyristor à l'aide des 2 transistors, on voit que pour que T2 conduise, il faut que T1 conduise et pour que T1 conduise il faut que T2 conduise. Il suffit d'amorcer l'un des deux transistors pour que l'ensemble conduise. On sait également que si l'on applique brutalement la tension entre A et K un courant de charge de la capacité parasite (N1-P2) peut être suffisant pour amorcer l'ensemble. C'est l'auto-amorçage des thyristors qu'on évite les protégeant à l'aide de condensateurs. 

Les premières portes CMOS de la famille CD4000 de RCA étaient sensibles à ce phénomène et il était recommandé de modérer la vitesse de montée de la mise sous tension des circuits au risque de court-circuiter l'alimentation par effet de Latch-up .

Les effets de latch-up furent corrigés en diminuant le gain des transistors parasites notamment à l'aide d'oxydation profondes.

Propriétés d'origine des portes CMOS

Les portes CMOS ne consomment pratiquement rien au repos , leur consommation par contre est proportionnelle à la fréquence de commutation.
- Elle peuvent être alimentées entre 3 et 18 volts
- Les états logiques sont, si Vss est à 0, de Vdd/2  ±10%
- Les états logiques de sortie, si une porte alimente une ou plusieurs autres portes, sont exactement Vdd et Vss ce qui donne une immunité au bruit de 40% de Vdd

Les portes CD4000 ne sont pas compatibles avec les TTL série 74 au point de vue des brochages ni des tensions . Une série 74C  sort plus tardivement qui est compatible au point de vue brochage mais pas en tension, cela dit, avec un peu de métier et quelques précautions il  était possible qu'en même de les associer. La série 74 HCT est elle pleinement compatible.

Les CMOS employés comme commutateurs analogiques

Autre intérêt des CMOS : la mise en parallèle d'un MOS P et un MOS N permet de réaliser un commutateur analogique de bonne qualité. Ceci est possible notamment à l'aide du CD4007.

Les deux transistors de la figure ci dessus pilotés en +V -V ont une conduction quasi constante pour tous signaux compris dans cette fourchette . Si on inverse les commandes, +V sur le MOS P et -V sur le MOS N, le circuit  bloque tous signaux compris entre ces deux tensions.