MOS管知识-mosfet体效应(衬偏效应)详解-KIA MOS管

mosfet体效应(衬偏效应)详解

关于(yu)(yu)MOSFET的(de)(de)(de)体(ti)效(xiao)应(ying)(ying)（body-effect,衬底调制效(xiao)应(ying)(ying)／衬偏效(xiao)应(ying)(ying)），主要是来源于(yu)(yu)mos管的(de)(de)(de)S-B(Source-Bulk)端(duan)之(zhi)间的(de)(de)(de)偏压对MOSFET阈值电(dian)(dian)压vth的(de)(de)(de)影响：以NMOS为例，当晶体(ti)管的(de)(de)(de)源端(duan)（Source)电(dian)(dian)势(shi)高于(yu)(yu)体(ti)端(duan)（Bulk)电(dian)(dian)势(shi)时，栅下面(mian)的(de)(de)(de)表面(mian)层(ceng)中将(jiang)有更多(duo)的(de)(de)(de)空(kong)穴被吸引(yin)到衬底，使(shi)耗尽层(ceng)中留下的(de)(de)(de)不能移动的(de)(de)(de)负(fu)离(li)子增多(duo)，耗尽层(ceng)宽度增加(jia)，耗尽层(ceng)中的(de)(de)(de)体(ti)电(dian)(dian)荷(he)面(mian)密度Qdep也增加(jia)。

而从(cong)一(yi)般的(de)MOSFET的(de)阈值(zhi)电(dian)压的(de)关(guan)系式中(zhong)Vth与(yu)Qdep的(de)关(guan)系（可以考率Vth为(wei)MOS栅电(dian)容(rong)提供电(dian)荷以对应另(ling)一(yi)侧耗(hao)尽区固定电(dian)荷的(de)大小），可以看到阈值(zhi)将(jiang)升高。

在考(kao)虑体效应之(zhi)后，MOS管的阈值电压(ya)可以写为：

我们亦可(ke)以在(zai)下图直观(guan)的(de)了(le)解VSB对(dui)Vth的(de)影响：

相应的(de)，由于体效应的(de)存(cun)在，在MOSFET的(de)小信(xin)号模型(xing)中，需要在gm*VGS的(de)电(dian)流源旁(pang)并联一个大小为gmb*VBS的(de)电(dian)流源

MOSFET的体效应(衬偏效应)

MOSFET的工作是通过在(zai)半导体表面产生(sheng)导电(dian)沟(gou)道—表面反型层(ceng)来进行的，因此(ci)器(qi)件(jian)中(zhong)存在(zai)一个由栅极电(dian)压所诱生(sheng)出(chu)来的p-n结(jie)—场(chang)感(gan)应(ying)结(jie)。一旦出(chu)现了沟(gou)道，则沟(gou)道以内的耗尽层(ceng)厚度(du)即(ji)达到最(zui)大，并保持不(bu)(bu)再(zai)变(bian)化(栅电(dian)压不(bu)(bu)再(zai)能够改变(bian)耗尽层(ceng)厚度(du))。

(1)什(shen)么是衬(chen)偏效(xiao)应(ying)？

对于(yu)MOS-IC而言(yan)，在(zai)电(dian)路(lu)工作(zuo)(zuo)时(shi)，其(qi)中各个(ge)MOSFET的衬底(di)(di)电(dian)位是时(shi)刻变化(hua)着(zhe)的，如果对器(qi)件(jian)(jian)衬底(di)(di)的电(dian)位不加(jia)以(yi)控制的话，那么就(jiu)有可能会出现(xian)场感应(ying)结以(yi)及源-衬底(di)(di)结正偏(pian)(pian)的现(xian)象(xiang)(xiang)；一(yi)旦发生(sheng)这种现(xian)象(xiang)(xiang)时(shi)，器(qi)件(jian)(jian)和电(dian)路(lu)即告失(shi)效。所以(yi)，对于(yu)IC中的MOSFET，需要(yao)在(zai)衬底(di)(di)与源区之间加(jia)上一(yi)个(ge)适当高(gao)的反(fan)向电(dian)压——衬偏(pian)(pian)电(dian)压，以(yi)保证器(qi)件(jian)(jian)始终(zhong)能够正常工作(zuo)(zuo)。简言(yan)之，衬偏(pian)(pian)电(dian)压就(jiu)是为了防(fang)止MOSFET的场感应(ying)结以(yi)及源结和漏(lou)结发生(sheng)正偏(pian)(pian)、而加(jia)在(zai)源-衬底(di)(di)之间的反(fan)向电(dian)压。 由于(yu)加(jia)上了衬偏(pian)(pian)电(dian)压的缘故，将要(yao)引起若(ruo)干影响器(qi)件(jian)(jian)性(xing)能的现(xian)象(xiang)(xiang)和问题，这就(jiu)是衬偏(pian)(pian)效应(ying)（衬偏(pian)(pian)调制效应(ying)），又称为MOSFET的体(ti)效应(ying)。

这种衬偏电压的(de)作(zuo)(zuo)(zuo)用，实际上就(jiu)相当(dang)于是(shi)一(yi)(yi)(yi)个JFET的(de)功能——沟道(dao)-衬底的(de)场感(gan)应p-n结作(zuo)(zuo)(zuo)为栅(zha)极控(kong)制着(zhe)输出电流IDS的(de)大小。所以，对于加(jia)有衬偏电压的(de)MOSFET，从工作(zuo)(zuo)(zuo)本质(zhi)上来(lai)说，可看成是(shi)由(you)一(yi)(yi)(yi)个MOSFET和一(yi)(yi)(yi)个JFET并联而成的(de)器件，只(zhi)不过其(qi)中JFET的(de)作(zuo)(zuo)(zuo)用在(zai)此(ci)特别(bie)称(cheng)为MOSFET的(de)体(ti)效(xiao)应而已。这就(jiu)是(shi)说，加(jia)上衬偏电压也就(jiu)相当(dang)于引入了一(yi)(yi)(yi)个额外的(de)JFET。

(2)衬(chen)偏(pian)效应(ying)(ying)(ying)(ying)对器(qi)件(jian)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影响： ①MOSFET在出现沟道（反(fan)型层）以后，虽然沟道下面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)耗(hao)尽层厚(hou)度达到(dao)了最大(da)（这时，栅(zha)极电(dian)(dian)压即使(shi)再(zai)增大(da)，耗(hao)尽层厚(hou)度也不会再(zai)增大(da)）；但是，衬(chen)偏(pian)电(dian)(dian)压是直接加在源(yuan)-衬(chen)底(di)之(zhi)间的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)反(fan)向电(dian)(dian)压，它可以使(shi)场感应(ying)(ying)(ying)(ying)结的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)耗(hao)尽层厚(hou)度进一步展宽，并引起其(qi)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)间电(dian)(dian)荷(he)面(mian)密(mi)度增加，从而导致器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阈值(zhi)电(dian)(dian)压VT升高。而阈值(zhi)电(dian)(dian)压的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)升高又将进一步影响到(dao)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)IDS及其(qi)整(zheng)个的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)，例(li)如栅(zha)极跨导降低(di)等。 衬(chen)底(di)掺杂浓度越(yue)高，衬(chen)偏(pian)电(dian)(dian)压所引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)间电(dian)(dian)荷(he)面(mian)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加就越(yue)多，则衬(chen)偏(pian)效应(ying)(ying)(ying)(ying)越(yue)显著。例(li)如，p阱-CMOS中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)n-MOSFET，它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)衬(chen)偏(pian)效应(ying)(ying)(ying)(ying)就要比(bi)p-MOSFET的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)严重得多。

②由(you)于(yu)衬(chen)(chen)偏电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)将(jiang)使场感(gan)应(ying)(ying)(ying)结的(de)(de)(de)(de)(de)耗(hao)尽层厚度(du)展(zhan)宽、空间电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)面密度(du)增(zeng)加，所(suo)以，当栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)不变(bian)(bian)时，衬(chen)(chen)偏电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)就(jiu)(jiu)会使沟(gou)道(dao)中的(de)(de)(de)(de)(de)载(zai)流(liu)子面电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)密度(du)减小(xiao)，从而就(jiu)(jiu)使得沟(gou)道(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)增(zeng)大，并导致电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)减小(xiao)、跨导降低(di)。 ③当MOSFET在动(dong)态工作时，源(yuan)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)位是不断(duan)(duan)在变(bian)(bian)化(hua)着(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)，则加在源(yuan)-衬(chen)(chen)底(di)之(zhi)间的(de)(de)(de)(de)(de)衬(chen)(chen)偏电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)也将(jiang)相应(ying)(ying)(ying)地(di)随着(zhe)而不断(duan)(duan)变(bian)(bian)化(hua)；这就(jiu)(jiu)产生(sheng)(sheng)所(suo)谓背(bei)栅调制作用(yong)，即(ji)(ji)呈现(xian)出一(yi)定JFET的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)能。 ④由(you)于(yu)衬(chen)(chen)偏电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)会引起背(bei)栅调制作用(yong)，使得沟(gou)道(dao)中的(de)(de)(de)(de)(de)面电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)密度(du)随着(zhe)源(yuan)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)位而发生(sheng)(sheng)变(bian)(bian)化(hua)，即(ji)(ji)产生(sheng)(sheng)了一(yi)种电(dian)(dian)(dian)(dian)容效应(ying)(ying)(ying)，这个电(dian)(dian)(dian)(dian)容就(jiu)(jiu)称为衬(chen)(chen)偏电(dian)(dian)(dian)(dian)容。衬(chen)(chen)偏电(dian)(dian)(dian)(dian)容的(de)(de)(de)(de)(de)出现(xian)即(ji)(ji)将(jiang)明显(xian)地(di)影响到器件的(de)(de)(de)(de)(de)开关速度(du)。

⑤由于MOSFET在加有衬(chen)偏(pian)电(dian)(dian)压时，即将(jiang)增(zeng)(zeng)加一种背栅调制作(zuo)用，从而就额(e)外产生(sheng)出(chu)(chu)一个与此背栅调制所对应的(de)交(jiao)流电(dian)(dian)阻(zu)；于是，这(zhei)就将(jiang)使(shi)得器(qi)件的(de)总输(shu)出(chu)(chu)电(dian)(dian)阻(zu)降低，并导致电(dian)(dian)压增(zeng)(zeng)益下(xia)(xia)降。所以(yi)，减(jian)小衬(chen)偏(pian)效(xiao)应将(jiang)有利于提高电(dian)(dian)压增(zeng)(zeng)益。(3)减(jian)弱或(huo)消(xiao)除(chu)(chu)衬(chen)偏(pian)效(xiao)应的(de)措施： ①把源(yuan)极和衬(chen)底(di)短接起来，当然可以(yi)消(xiao)除(chu)(chu)衬(chen)偏(pian)效(xiao)应的(de)影(ying)响，但是这(zhei)需要电(dian)(dian)路(lu)和器(qi)件结(jie)构以(yi)及制造工艺的(de)支持，并不是在任何情况下(xia)(xia)都(dou)能(neng)够做得到的(de)。

例(li)如，对于(yu)p阱CMOS器件(jian)(jian)，其(qi)中(zhong)(zhong)的n-MOSFET可以进行源(yuan)-衬底(di)短(duan)(duan)接，而其(qi)中(zhong)(zhong)的p-MOSFET则(ze)否；对于(yu)n阱CMOS器件(jian)(jian)，其(qi)中(zhong)(zhong)的p-MOSFET可以进行源(yuan)-衬底(di)短(duan)(duan)接，而其(qi)中(zhong)(zhong)的n-MOSFET则(ze)否。 ②改进电(dian)路结(jie)构来(lai)减弱衬偏效(xiao)(xiao)应。例(li)如，对于(yu)CMOS中(zhong)(zhong)的负(fu)(fu)(fu)载(zai)(zai)管，若采用有(you)源(yuan)负(fu)(fu)(fu)载(zai)(zai)来(lai)代替之，即可降(jiang)低(di)衬偏调制效(xiao)(xiao)应的影响（因(yin)为当(dang)衬偏效(xiao)(xiao)应使(shi)负(fu)(fu)(fu)载(zai)(zai)管的沟道电(dian)阻增大时,有(you)源(yuan)负(fu)(fu)(fu)载(zai)(zai)即提高负(fu)(fu)(fu)载(zai)(zai)管的VGS来(lai)使(shi)得负(fu)(fu)(fu)载(zai)(zai)管的导电(dian)能力增强）。

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