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  • 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)詳情
    • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-27 16:49:00
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    MOS管
    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(jiàn)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(méi)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(chēng)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管二級(jí)效應(yīng)
    MOS管二級(jí)效應(yīng)
    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)。
    背柵效應(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(chēng)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(kāi)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(kāi)啟就越困難,閾值電壓——也就是開(kāi)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(lèi)似,也能控制漏極電流的變化。所以我們稱(chēng)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))。
    溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)
    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(chēng)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(xiě)為:
    MOS管二級(jí)效應(yīng)
    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:
    MOS管二級(jí)效應(yīng)
    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:
    MOS管二級(jí)效應(yīng)
    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。
    亞閾值效應(yīng)
    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VGSVTH,溝道內(nèi)就出現(xiàn)了電流。而實(shí)際情況并不是這樣。即使在VGS
    MOS管二級(jí)效應(yīng)
    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(mǎn)足1<η<3。當(dāng)VGS滿(mǎn)足MOS管二級(jí)效應(yīng)的條件時(shí),一般認(rèn)為MOS管進(jìn)入了亞閾值區(qū)域.
    當(dāng)MOS管二級(jí)效應(yīng)時(shí),稱(chēng)MOS管工作在強(qiáng)反型區(qū)。
    當(dāng)MOS管二級(jí)效應(yīng)時(shí),時(shí)稱(chēng)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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