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。

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MOS 管阈值电压与沟长和沟宽的关系

继续关于 Analog IC Design 基础知识的小结,这里总结一下对于晶体管阈值电压 Vth 随沟道长度 L 和宽度 W 的变化的讨论

关于 MOSFET 的 W 和 L 对其阈值电压 Vth 的影响,实际在考虑工艺相关因素后都是比较复杂,但是也可以有一些简化的分析,这里主要还是分析当晶体管处在窄沟道和短沟道情况下,MOSFET 耗尽区的电荷的变化,从而分析其对晶体管的阈值电压的作用。

Narrow channel 窄沟的分析

窄沟下阈值电压的分析  沟宽对阈值电压的影响

从左图可以看到,决定 MOSFET 阈值电压的耗尽层电荷,并不仅是在栅下区域的电荷 Qch;实际上在图中耗尽区左右与表面相接处,还需要有额外的电荷 Qchw。
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MOSFET 体效应

打算抽空把模拟集成电路设计的基础知识清一遍,先从 MOSFET 的基本内容开始.

MOSFET 的体效应(body-effect,也叫衬底调制效应/衬偏效应),主要是来源于 MOS 管的 S-B(Source-Bulk)端之间的偏压对 MOSFET 阈值电压 vth 的影响:

以 NMOS 的晶体管为例,当晶体管的源端的电势高于体端电势时,源和体区的二极管反偏程度增加,栅下面的表面层中将有更多的空穴被吸引到衬底,使耗尽层中留下的不能移动的负离子增多,耗尽层宽度增加,耗尽层中的体电荷面密度 Qdep 也增加。而从一般的 MOSFET 的阈值电压的关系式中 Vth 与 Qdep 的关系(可以考率 Vth 为 MOS 栅电容提供电荷以对应另一侧耗尽区固定电荷的大小),可以看到阈值电压将升高。

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