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MOS晶體管的襯底偏置效應(yīng)

發(fā)布時(shí)間:2008/6/5 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):3546

在前面的討論中,都沒(méi)有考慮襯底電位對(duì)晶體管性能的影響,都是假設(shè)襯底和晶體管的源極相連,即vbs (bulk-source)=0的情況,而實(shí)際工作中,經(jīng)常出現(xiàn)襯底和源極不相連的情況,此時(shí),vbs不等于0。
在晶體管的襯底與器件的源區(qū)形成反向偏置時(shí),將對(duì)器件產(chǎn)生什么影響呢?


由基本的pn結(jié)理論可知,處于反偏的pn結(jié)的耗盡層將展寬。上圖說(shuō)明了nmos管在vds較小時(shí)的襯底耗盡層變化情況,圖中的淺色邊界是襯底偏置為0時(shí)的耗盡層邊界。當(dāng)襯底與源處于反偏時(shí),襯底中的耗盡區(qū)變厚,使得耗盡層中的固定電荷數(shù)增加。由于柵電容兩邊電荷守衡,所以,在柵上電荷沒(méi)有改變的情況下,耗盡層電荷的增加,必然導(dǎo)致溝道中可動(dòng)電荷的減少,從而導(dǎo)致導(dǎo)電水平下降。若要維持原有的導(dǎo)電水平,必須增加?xùn)艍,即增加(xùn)派系碾姾蓴?shù)。對(duì)器件而言,襯底偏置電壓的存在,將使mos晶體管的閾值電壓的數(shù)值提高。對(duì)nmos,vtn更正,對(duì)pmos,vtp更負(fù),即閾值電壓的絕對(duì)值提高了。

在工程設(shè)計(jì)中,襯底偏置效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響可用下面的近似公式計(jì)算:

γ為襯底偏置效應(yīng)系數(shù),它隨襯底摻雜濃度而變化,典型值:nmos晶體管,γ=0.7~3.0。pmos晶體管,γ=0.5~0.7對(duì)于pmos晶體管,∆vt取負(fù)值,對(duì)nmos晶體管,取正值。


對(duì)處于動(dòng)態(tài)工作的器件而言,當(dāng)襯底接一固定電位時(shí),襯偏電壓將隨著源節(jié)點(diǎn)電位的變化而變化,產(chǎn)生對(duì)器件溝道電流的調(diào)制,這稱為背柵調(diào)制,用背柵跨導(dǎo)gmb來(lái)定義這種調(diào)制作用的大小:


到此為止,我們已引出了三個(gè)重要端口參數(shù):gm、gds和gmb。這三個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)了mos器件的三個(gè)信號(hào)端口g-s、d-s、b-s,它們反映了端口信號(hào)對(duì)漏源電流的控制作用。
mos反相器的分類
靜態(tài)反相器
動(dòng)態(tài)反相器

e/e反相器
e/d反相器
cmos反相器

有比反相器
無(wú)比反相器



在前面的討論中,都沒(méi)有考慮襯底電位對(duì)晶體管性能的影響,都是假設(shè)襯底和晶體管的源極相連,即vbs (bulk-source)=0的情況,而實(shí)際工作中,經(jīng)常出現(xiàn)襯底和源極不相連的情況,此時(shí),vbs不等于0。
在晶體管的襯底與器件的源區(qū)形成反向偏置時(shí),將對(duì)器件產(chǎn)生什么影響呢?


由基本的pn結(jié)理論可知,處于反偏的pn結(jié)的耗盡層將展寬。上圖說(shuō)明了nmos管在vds較小時(shí)的襯底耗盡層變化情況,圖中的淺色邊界是襯底偏置為0時(shí)的耗盡層邊界。當(dāng)襯底與源處于反偏時(shí),襯底中的耗盡區(qū)變厚,使得耗盡層中的固定電荷數(shù)增加。由于柵電容兩邊電荷守衡,所以,在柵上電荷沒(méi)有改變的情況下,耗盡層電荷的增加,必然導(dǎo)致溝道中可動(dòng)電荷的減少,從而導(dǎo)致導(dǎo)電水平下降。若要維持原有的導(dǎo)電水平,必須增加?xùn)艍,即增加(xùn)派系碾姾蓴?shù)。對(duì)器件而言,襯底偏置電壓的存在,將使mos晶體管的閾值電壓的數(shù)值提高。對(duì)nmos,vtn更正,對(duì)pmos,vtp更負(fù),即閾值電壓的絕對(duì)值提高了。

在工程設(shè)計(jì)中,襯底偏置效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響可用下面的近似公式計(jì)算:

γ為襯底偏置效應(yīng)系數(shù),它隨襯底摻雜濃度而變化,典型值:nmos晶體管,γ=0.7~3.0。pmos晶體管,γ=0.5~0.7對(duì)于pmos晶體管,∆vt取負(fù)值,對(duì)nmos晶體管,取正值。


對(duì)處于動(dòng)態(tài)工作的器件而言,當(dāng)襯底接一固定電位時(shí),襯偏電壓將隨著源節(jié)點(diǎn)電位的變化而變化,產(chǎn)生對(duì)器件溝道電流的調(diào)制,這稱為背柵調(diào)制,用背柵跨導(dǎo)gmb來(lái)定義這種調(diào)制作用的大。


到此為止,我們已引出了三個(gè)重要端口參數(shù):gm、gds和gmb。這三個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)了mos器件的三個(gè)信號(hào)端口g-s、d-s、b-s,它們反映了端口信號(hào)對(duì)漏源電流的控制作用。
mos反相器的分類
靜態(tài)反相器
動(dòng)態(tài)反相器

e/e反相器
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