MOSFET的亚阈区导电.pptVIP

4.4MOSFET的亚阈区导电本节以前的漏极电流公式只适用于VGSVT，并假设当VGSVT时ID=0。但实际上当VGSVT时，MOSFET仍能微弱导电，这称为亚阈区导电。这时的漏极电流称为亚阈电流，记为IDsub。研究亚阈区导电在低压低功耗设计中非常重要！定义：使硅表面处于本征状态的VGS称为本征电压，记为Vi。当VGS=Vi时，表面势?S=?FB，能带弯曲量为q?FB，表面处于本征状态。当ViVGSVT时，?FB?S2?FB，表面处于弱反型状态，反型层中的少子（电子）浓度介于本征载流子浓度与衬底平衡多子浓度之间，此时的漏源电流称为亚阈区电流。栅极电压VG使半导体表面能带弯曲，降低了从源区到沟道区的电子势垒，电子从重掺杂的源区（类似BJT的发射区）注入到p型表面区（类似BJT的基区），大部分注入的电子被漏区收集（类似BJT的集电区)。从源端注入沟道的电子浓度随源-沟道势垒高度呈指数变化，因此由载流子数目决定的电流应该也有同样的规律。可以定性写出亚阈区电流的表达式1/n表示（VGS-VT）中影响源-沟道势垒部分所占的比例。亚阈区电流的定性分析对于电容分压，可以忽略亚阈值区沟道中的载流子。栅压一部分降在半导体上，一部分降在氧化层上，可以用电容分压模型来研究。在亚阈区，表面弱反型层中的电子浓度较小，所以漂移电流很小；但电子浓度的梯度却很大，所以扩散电流较大。因此在计算IDsub时只考虑扩散电流而忽略漂移电流。式中，4.4.1MOSFET的亚阈漏极电流（定量推导）设沟道上下的纵向电势差为(kT/q)，则沟道厚度b可表为根据高斯定理，于是可得沟道厚度为式中CD为沟道耗尽区的势垒电容，将n(0)、n(L)和b代入中，得表面势?S与栅源电压VGS之间的关系可表为式中，由于?FB?S2?FB，CD(?S)中的?S可取为1.5?FB。于是得到亚阈电流的表达式为1、IDsub与VGS的关系IDsub与VGS之间为指数关系，当VGS=VT时IDsub≠0；2、IDsub与VDS的关系当VDS=0时IDsub=0；当VDS较小时，IDsub随VDS的增大而增大；但是当后，IDsub变得与VDS无关，即IDsub对VDS而言会发生饱和。4.4.2MOSFET的亚阈区特性定义：亚阈区的转移特性半对数斜率的倒数称为亚阈区栅源电压摆幅，记为S，即S的意义：使IDsub扩大e倍所需的VGS的增量。3、亚阈区栅源电压摆幅S本书中：S的另一种形式：参考书目：《半导体器件物理》施敏；《半导体器件基础》BettyLiseAnderson补充：对于作为开关管使用的MOSFET，要求S的值要尽量小。减小S的措施是S的极限值：室温下：例：考虑一个有两百万个晶体管的芯片。在给定时刻，有一半的晶体管处于关态。希望芯片的总关态亚阈电流小于10μA。对于单个器件，阈值电压对应的电流为1μA。亚阈区摆幅为80mV/decade。计算最小电源电压Vd。（输入栅压在0~Vd之间变化）要求芯片处于关态时，总电流为10μA，单管最大允许漏电流为10-11A。阈值电压对应的电流为10-6A。电流变化5个数量级。S=80mV/decade。VT=80×5=40mV。所以Vd约为2V。（阈值电压通常选为电源电压的20%。）1、联立方程法将测量获得的VGS1、IDsat1、VGS2和IDsat2作为已知数，通过求解上述联立方程，可解出β和VT。4.4.3阈电压的测量实际工作中，MOSFET的阈值电压通过测量而不是计算得到。2、法