关于 MOSFET 工作于弱反型/亚阈值的问题


这里把 MOS 管工作于弱反型或亚阈值区时的一些问题和特性小结一下:

当 MOSFET 的 Vgs 接近其阈值电压 Vth 时,MOS 管工作在弱反型(或亚阈值区),在结构上类似于两个背靠背的二极管相连。这样我们分析时,可将其看成横向的 BJT 的结构,与一般的 BJT 不同的是,这里的基极电压是栅电压在栅电容和耗尽层电容之间的分压。

通过这样的分析方法,可以得到 MOSFET 工作于亚阈值区时的电流方程:

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注意当 VDS>3*Vt 时,上式中的最后项可近似为1,这样整个电流 Ids 可认为不受 Vds 影响,可以像工作于饱和区一样当成电流源。只是这里对 Vds 的要求不再是 Vds>Vgs-Vth , 而是一个恒定的值。

MOSFET 在亚阈值区工作时,虽然小电流使得跨导 gm 较小,但是其跨导效率 gm/Id 是最大的

从前面的电流方程,我们可以看到其跨导效率为:

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同时考虑 MOS 管工作于饱和区(强反型)时的跨导效率:

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当两者相等时,有:

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一般由经验 n=1.5,室温下 VT 为26mV,这样 Vov=78mV , 我们将其认为是强反型到弱反型的转折点,这一中间部分也称为中等程度反型,一如下面图中所示

强反型到弱反型的过渡

通常在书上谈到,亚阈值一般只能在低速下应用,简单的考虑是此时 MOSFET 的小电流和大 Cgs 的影响,我们也可由 MOSFET 的特征频率 ft 的角度来考虑,一般 ft 随着过驱动电压 Vov (Vgs-Vth) 的减小而减小,即在亚阈值区间,ft 值较小, MOSFET 速度受限。

另一个问题是, 由于 Vth 在指数项中, 阈值电压的失配会导致输出电流有较大的失配。


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