MOS管二級(jí)效應(yīng)-背柵效應(yīng)、溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)、亞閾值效應(yīng)詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-11-27
mos管場(chǎng)效應(yīng)管（FET），把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的跨導(dǎo)， 定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。市面上常有的一般為N溝道和P溝道，詳情參考右側(cè)圖片（P溝道耗盡型MOS管）。而P溝道常見的為低壓mos管。
一個(gè)電場(chǎng)在一個(gè)絕緣層上來(lái)影響流過(guò)晶體管的電流。事實(shí)上沒有電流流過(guò)這個(gè)絕緣體，所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化硅來(lái)作為GATE極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管，或,金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。因?yàn)镸OS管更小更省電，所以他們已經(jīng)在很多應(yīng)用場(chǎng)合取代了雙極型晶體管。
MOS管的二級(jí)效應(yīng)主要有三種：背柵效應(yīng)、溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)、亞閾值效應(yīng)。
在很多情況下，源極和襯底的電位并不相同。對(duì)NMOS管而言，襯底通常接電路的最低電位，有VBS≤0；對(duì)PMOS管而言，襯底通常接電路的最高電位，有VBS≥0。這時(shí)，MOS管的閾值電壓將隨其源極和襯底之間電位的不同而發(fā)生變化。這一效應(yīng)稱為“背柵效應(yīng)”。
以NMOS管為例，當(dāng)NMOS管VBS<0時(shí)，閾值電壓的變化規(guī)律。隨著VGS上升，柵極吸引襯底內(nèi)部的電子向襯底表面運(yùn)動(dòng)，并在襯底表面產(chǎn)生了耗盡層。當(dāng)VGS上升到一定的電壓——閾值電壓時(shí)，柵極下的襯底表面發(fā)生反型，NMOS管在源漏之間開始導(dǎo)電。
閾值電壓的大小和耗盡層的電荷量有關(guān)，耗盡層的電荷量越多，NMOS管的開啟就越困難，閾值電壓——也就是開啟NMOS需要的電壓就越高。當(dāng)VBS<0時(shí)，柵極和襯底之間的電位差加大，耗盡層的厚度也變大，耗盡層內(nèi)的電荷量增加，所以造成閾值電壓變大。隨著VBS變小，閾值電壓上升，在VGS和VDS不變的情況下，漏極電流變小。因而襯底和柵極的作用類似，也能控制漏極電流的變化。所以我們稱它為“背柵”作用。
在電路設(shè)計(jì)上可采取一些措施來(lái)減弱或消除襯偏效應(yīng)，例如把源極和襯底短接起來(lái)，當(dāng)然可以消除襯偏效應(yīng)的影響，但是這需要電路和器件結(jié)構(gòu)以及制造工藝的支持，并不是在任何情況下都能夠做得到的。例如，對(duì)于p阱CMOS器件，其中的n-MOSFET可以進(jìn)行源-襯底短接，而其中的p-MOSFET則否；對(duì)于n阱CMOS器件，其中的p-MOSFET可以進(jìn)行源-襯底短接，而其中的n-MOSFET則否。
另外可以改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)來(lái)減弱襯偏效應(yīng)。例如，對(duì)于CMOS中的負(fù)載管，若采用有源負(fù)載來(lái)代替之，即可降低襯偏調(diào)制效應(yīng)的影響（因?yàn)楫?dāng)襯偏效應(yīng)使負(fù)載管的溝道電阻增大時(shí),有源負(fù)載即提高負(fù)載管的VGS來(lái)使得負(fù)載管的導(dǎo)電能力增強(qiáng)）。
MOS晶體管中,柵下溝道預(yù)夾斷后、若繼續(xù)增大Vds，夾斷點(diǎn)會(huì)略向源極方向移動(dòng)。導(dǎo)致夾斷點(diǎn)到源極之間的溝道長(zhǎng)度略有減小，有效溝道電阻也就略有減小，從而使更多電子自源極漂移到夾斷點(diǎn)，導(dǎo)致在耗盡區(qū)漂移電子增多,使Id增大，這種效應(yīng)稱為溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。
當(dāng)MOS管工作在飽和區(qū)，導(dǎo)電溝道產(chǎn)生夾斷，溝道的長(zhǎng)度從L變成了L’，L’
此時(shí)電流公式改寫為：
我們采用一個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)λ來(lái)表示VDS對(duì)漏極電流ID的影響，定義：
由此可以得到考慮了溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的MOS管飽和區(qū)的電流公式：
由于λ∝1/L，對(duì)于長(zhǎng)溝道的器件而言（例如L>10um）， λ的數(shù)值很小，λVDS<<1，所以這個(gè)誤差可以忽略。而溝道越短，這個(gè)誤差就越大。事實(shí)上，對(duì)于短溝道的MOS管，用一個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)λ來(lái)體現(xiàn)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)是非常不準(zhǔn)確的。因而我們有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，電路
電路仿真的結(jié)果和用公式計(jì)算出來(lái)的結(jié)果完全不同。所以說(shuō)一階的近似公式更主要的是起到電路設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。
在前面對(duì)MOS管導(dǎo)電原理的分析中，我們認(rèn)為當(dāng)柵源電壓VGS
來(lái)表示。其中ID0是和工藝有關(guān)的參數(shù)，η是亞閾值斜率因子，通常滿足1<η<3。當(dāng)VGS滿足
的條件時(shí)，一般認(rèn)為MOS管進(jìn)入了亞閾值區(qū)域.
當(dāng)
時(shí)，稱MOS管工作在強(qiáng)反型區(qū)。
當(dāng)
時(shí)，時(shí)稱MOS管工作在強(qiáng)反型區(qū)。
強(qiáng)反型區(qū)和弱反型區(qū)的劃分其實(shí)也是對(duì)MOS管實(shí)際工作特定的一種近似，只是它比前面講到的MOS管的一階近似更加準(zhǔn)確。從公式上分析，強(qiáng)反型區(qū)和弱反型區(qū)之間同樣存在著電流不連續(xù)的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，也是為了建立更精確的MOS管模型，在這兩個(gè)區(qū)之間又定義了中等反型區(qū)。
對(duì)于斜率因子η的解釋要從MOS管的電流變化講起。表征亞閾值特性的一個(gè)重要參數(shù)是柵極電壓的變化幅度，也就是MOS管從電流導(dǎo)通到電流截止時(shí)所需要的柵極電壓的變化量。這一特性用亞閾值斜率S來(lái)表示。S定義為亞閾值電流每變化10倍（一個(gè)數(shù)量級(jí)）所要求柵極電壓的變化量。S越小意味著MOS管的關(guān)斷性能越好。
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