MOS管知識(shí)-mosfet體效應(yīng)(襯偏效應(yīng))詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-10-10
關(guān)于MOSFET的體效應(yīng)（body-effect,襯底調(diào)制效應(yīng)／襯偏效應(yīng)），主要是來(lái)源于mos管的S-B(Source-Bulk)端之間的偏壓對(duì)MOSFET閾值電壓vth的影響：以NMOS為例，當(dāng)晶體管的源端（Source)電勢(shì)高于體端（Bulk)電勢(shì)時(shí)，柵下面的表面層中將有更多的空穴被吸引到襯底，使耗盡層中留下的不能移動(dòng)的負(fù)離子增多，耗盡層寬度增加，耗盡層中的體電荷面密度Qdep也增加。
而從一般的MOSFET的閾值電壓的關(guān)系式中Vth與Qdep的關(guān)系（可以考率Vth為MOS柵電容提供電荷以對(duì)應(yīng)另一側(cè)耗盡區(qū)固定電荷的大小），可以看到閾值將升高。
在考慮體效應(yīng)之后，MOS管的閾值電壓可以寫(xiě)為：
我們亦可以在下圖直觀的了解VSB對(duì)Vth的影響：
相應(yīng)的，由于體效應(yīng)的存在，在MOSFET的小信號(hào)模型中，需要在gm*VGS的電流源旁并聯(lián)一個(gè)大小為gmb*VBS的電流源
MOSFET的工作是通過(guò)在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生導(dǎo)電溝道—表面反型層來(lái)進(jìn)行的，因此器件中存在一個(gè)由柵極電壓所誘生出來(lái)的p-n結(jié)—場(chǎng)感應(yīng)結(jié)。一旦出現(xiàn)了溝道，則溝道以內(nèi)的耗盡層厚度即達(dá)到最大，并保持不再變化(柵電壓不再能夠改變耗盡層厚度)。
(1)什么是襯偏效應(yīng)？
對(duì)于MOS-IC而言，在電路工作時(shí)，其中各個(gè)MOSFET的襯底電位是時(shí)刻變化著的，如果對(duì)器件襯底的電位不加以控制的話，那么就有可能會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)結(jié)以及源-襯底結(jié)正偏的現(xiàn)象；一旦發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，器件和電路即告失效。所以，對(duì)于IC中的MOSFET，需要在襯底與源區(qū)之間加上一個(gè)適當(dāng)高的反向電壓——襯偏電壓，以保證器件始終能夠正常工作。簡(jiǎn)言之，襯偏電壓就是為了防止MOSFET的場(chǎng)感應(yīng)結(jié)以及源結(jié)和漏結(jié)發(fā)生正偏、而加在源-襯底之間的反向電壓。 由于加上了襯偏電壓的緣故，將要引起若干影響器件性能的現(xiàn)象和問(wèn)題，這就是襯偏效應(yīng)（襯偏調(diào)制效應(yīng)），又稱為MOSFET的體效應(yīng)。
這種襯偏電壓的作用，實(shí)際上就相當(dāng)于是一個(gè)JFET的功能——溝道-襯底的場(chǎng)感應(yīng)p-n結(jié)作為柵極控制著輸出電流IDS的大小。所以，對(duì)于加有襯偏電壓的MOSFET，從工作本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，可看成是由一個(gè)MOSFET和一個(gè)JFET并聯(lián)而成的器件，只不過(guò)其中JFET的作用在此特別稱為MOSFET的體效應(yīng)而已。這就是說(shuō)，加上襯偏電壓也就相當(dāng)于引入了一個(gè)額外的JFET。
(2)襯偏效應(yīng)對(duì)器件性能的影響： ①M(fèi)OSFET在出現(xiàn)溝道（反型層）以后，雖然溝道下面的耗盡層厚度達(dá)到了最大（這時(shí)，柵極電壓即使再增大，耗盡層厚度也不會(huì)再增大）；但是，襯偏電壓是直接加在源-襯底之間的反向電壓，它可以使場(chǎng)感應(yīng)結(jié)的耗盡層厚度進(jìn)一步展寬，并引起其中的空間電荷面密度增加，從而導(dǎo)致器件的閾值電壓VT升高。而閾值電壓的升高又將進(jìn)一步影響到器件的IDS及其整個(gè)的性能，例如柵極跨導(dǎo)降低等。 襯底摻雜濃度越高，襯偏電壓所引起的空間電荷面密度的增加就越多，則襯偏效應(yīng)越顯著。例如，p阱-CMOS中的n-MOSFET，它的襯偏效應(yīng)就要比p-MOSFET的嚴(yán)重得多。
②由于襯偏電壓將使場(chǎng)感應(yīng)結(jié)的耗盡層厚度展寬、空間電荷面密度增加，所以，當(dāng)柵極電壓不變時(shí)，襯偏電壓就會(huì)使溝道中的載流子面電荷密度減小，從而就使得溝道電阻增大，并導(dǎo)致電流減小、跨導(dǎo)降低。 ③當(dāng)MOSFET在動(dòng)態(tài)工作時(shí)，源極電位是不斷在變化著的，則加在源-襯底之間的襯偏電壓也將相應(yīng)地隨著而不斷變化；這就產(chǎn)生所謂背柵調(diào)制作用，即呈現(xiàn)出一定JFET的功能。 ④由于襯偏電壓會(huì)引起背柵調(diào)制作用，使得溝道中的面電荷密度隨著源極電位而發(fā)生變化，即產(chǎn)生了一種電容效應(yīng)，這個(gè)電容就稱為襯偏電容。襯偏電容的出現(xiàn)即將明顯地影響到器件的開(kāi)關(guān)速度。
⑤由于MOSFET在加有襯偏電壓時(shí)，即將增加一種背柵調(diào)制作用，從而就額外產(chǎn)生出一個(gè)與此背柵調(diào)制所對(duì)應(yīng)的交流電阻；于是，這就將使得器件的總輸出電阻降低，并導(dǎo)致電壓增益下降。所以，減小襯偏效應(yīng)將有利于提高電壓增益。(3)減弱或消除襯偏效應(yīng)的措施： ①把源極和襯底短接起來(lái)，當(dāng)然可以消除襯偏效應(yīng)的影響，但是這需要電路和器件結(jié)構(gòu)以及制造工藝的支持，并不是在任何情況下都能夠做得到的。
例如，對(duì)于p阱CMOS器件，其中的n-MOSFET可以進(jìn)行源-襯底短接，而其中的p-MOSFET則否；對(duì)于n阱CMOS器件，其中的p-MOSFET可以進(jìn)行源-襯底短接，而其中的n-MOSFET則否。 ②改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)來(lái)減弱襯偏效應(yīng)。例如，對(duì)于CMOS中的負(fù)載管，若采用有源負(fù)載來(lái)代替之，即可降低襯偏調(diào)制效應(yīng)的影響（因?yàn)楫?dāng)襯偏效應(yīng)使負(fù)載管的溝道電阻增大時(shí),有源負(fù)載即提高負(fù)載管的VGS來(lái)使得負(fù)載管的導(dǎo)電能力增強(qiáng)）。
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