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V BS ≤0;对PMOS 管而言,衬底通常接电路的最高电位,有V BS≥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V BS <0时,阈值电压的变化规律。随着V GS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V GS 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V BS<0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V BS变小,阈值电压上升,在V GS 和V DS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 ’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:

http://s11/mw690/006yo0Fmzy7oetPOFGa5a&690

我们采用一个简单的参数λ来表示V DS 对漏极电流I D 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L >10um ), λ的数值很小,λV DS<<1,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V GS V TH,沟道内就出现了电流。而实际情况并不是这样。即使在V GS

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I D0是和工艺有关的参数,η是亚阈值斜率因子,通常满足1<η<3。当V GS 满足q kT V V TH GS η <的条件时,一般认为MOS 管进入了亚阈值区域.

当qkT V V TH GS η > 时,称MOS 管工作在强反型区。 当q kT V V TH GS η < 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。