MOS管二阶效应

MOS管二级效应研究MOS管的二级效应主要有三种：背栅效应、沟道长度调制效应、亚阈值效应。一.背栅效应：在很多情况下，源极和衬底的电位并不相同。对NMOS管而言，衬底通常接电路的最低电位，有VBS≤0；对PMOS管而言，衬底通常接电路的最高电位，有VBS≥0。这时，MOS管的阈值电压将随其源极和衬底之间电位的不同而发生变化。这一效应称为“背栅效应”。以NMOS管为例，当NMOS管VBS0时，阈值电压的变化规律。随着VGS上升，栅极吸引衬底内部的电子向衬底表面运动，并在衬底表面产生了耗尽层。当VGS上升到一定的电压——阈值电压时，栅极下的衬底表面发生反型，NMOS管在源漏之间开始导电。阈值电压的大小和耗尽层的电荷量有关，耗尽层的电荷量越多，NMOS管的开启就越困难，阈值电压——也就是开启NMOS需要的电压就越高。当VBS0时，栅极和衬底之间的电位差加大，耗尽层的厚度也变大，耗尽层内的电荷量增加，所以造成阈值电压变大。随着VBS变小，阈值电压上升，在VGS和VDS不变的情况下，漏极电流变小。因而衬底和栅极的作用类似，也能控制漏极电流的变化。所以我们称它为“背栅”作用。在电路设计上可采取一些措施来减弱或消除衬偏效应，例如把源极和衬底短接起来，当然可以消除衬偏效应的影响，但是这需要电路和器件结构以及制造工艺的支持，并不是在任何情况下都能够做得到的。例如，对于p阱CMOS器件，其中的n-MOSFET可以进行源-衬底短接，而其中的p-MOSFET则否；对于n阱CMOS器件，其中的p-MOSFET可以进行源-衬底短接，而其中的n-MOSFET则否。另外可以改进电路结构来减弱衬偏效应。例如，对于CMOS中的负载管，若采用有源负载来代替之，即可降低衬偏调制效应的影响（因为当衬偏效应使负载管的沟道电阻增大时,有源负载即提高负载管的VGS来使得负载管的导电能力增强）。二．沟道长度调制效应：MOS晶体管中,栅下沟道预夹断后、若继续增大Vds，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多,使Id增大，这种效应称为沟道长度调制效应。当MOS管工作在饱和区，导电沟道产生夹断，沟道的长度从L变成了L’，L’L。在计算MOS管饱和区的电流时应该用L’来代替L。那么随着漏源之间电压VDS的升高，沟道内的夹断点向源极移动，沟道有效长度L’变短，漏极电流将变大。此时电流公式改写为：我们采用一个简单的参数λ来表示VDS对漏极电流ID的影响，定义：由此可以得到考虑了沟道长度调制效应的MOS管饱和区的电流公式：由于λ∝1/L，对于长沟道的器件而言（例如L10um），λ的数值很小，λVDS1，所以这个误差可以忽略。而沟道越短，这个误差就越大。事实上，对于短沟道的MOS管，用一个简单的参数λ来体现沟道长度调制效应是非常不准确的。因而我们有时会发现，电路仿真的结果和用公式计算出来的结果完全不同。所以说一阶的近似公式更主要的是起到电路设计的指导作用。三．亚阈值效应在前面对MOS管导电原理的分析中，我们认为当栅源电压VGSVTH时，导电沟道没有形，成因而沟道内没有电流。而一旦VGSVTH，沟道内就出现了电流。而实际情况并不是这样。即使在VGSVTH时，沟道内仍然有电流存在。当VGS接近VTH时，漏极电流下降到10-7~10-8A。当VGSVTH时，漏极电流按指数规律下降。这时，栅极电压对漏极电流的控制从饱和区的平方律变成了亚阈值区的指数规律。MOS管的电流－电压关系可以用公式来表示。其中ID0是和工艺有关的参数，η是亚阈值斜率因子，通常满足1η3。当VGS满足qkTVVTHGS的条件时，一般认为MOS管进入了亚阈值区域.当qkTVVTHGS时，称MOS管工作在强反型区。当qkTVVTHGS时称MOS管工作在强反型区。强反型区和弱反型区的划分其实也是对MOS管实际工作特定的一种近似，只是它比前面讲到的MOS管的一阶近似更加准确。从公式上分析，强反型区和弱反型区之间同样存在着电流不连续的问题。为了解决这一问题，也是为了建立更精确的MOS管模型，在这两个区之间又定义了中等反型区。对于斜率因子η的解释要从MOS管的电流变化讲起。表征亚阈值特性的一个重要参数是栅极电压的变化幅度，也就是MOS管从电流导通到电流截止时所需要的栅极电压的变化量。这一特性用亚阈值斜率S来表示。S定义为亚阈值电流每变化10倍（一个数量级）所要求栅极电压的变化量。S越小意味着MOS管的关断性能越好。