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MOS晶體管的襯底偏置效應

發布時間:2008/6/5 0:00:00 訪問次數:3361

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


由基本的pn結理論可知,處于反偏的pn結的耗盡層將展寬。上圖說明了nmos管在vds較小時的襯底耗盡層變化情況,圖中的淺色邊界是襯底偏置為0時的耗盡層邊界。當襯底與源處于反偏時,襯底中的耗盡區變厚,使得耗盡層中的固定電荷數增加。由于柵電容兩邊電荷守衡,所以,在柵上電荷沒有改變的情況下,耗盡層電荷的增加,必然導致溝道中可動電荷的減少,從而導致導電水平下降。若要維持原有的導電水平,必須增加柵壓,即增加柵上的電荷數。對器件而言,襯底偏置電壓的存在,將使mos晶體管的閾值電壓的數值提高。對nmos,vtn更正,對pmos,vtp更負,即閾值電壓的絕對值提高了。

在工程設計中,襯底偏置效應對閾值電壓的影響可用下面的近似公式計算:

γ為襯底偏置效應系數,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對于pmos晶體管,∆vt取負值,對nmos晶體管,取正值。


對處于動態工作的器件而言,當襯底接一固定電位時,襯偏電壓將隨著源節點電位的變化而變化,產生對器件溝道電流的調制,這稱為背柵調制,用背柵跨導gmb來定義這種調制作用的大小:


到此為止,我們已引出了三個重要端口參數:gm、gds和gmb。這三個參數對應了mos器件的三個信號端口g-s、d-s、b-s,它們反映了端口信號對漏源電流的控制作用。
mos反相器的分類
靜態反相器
動態反相器

e/e反相器
e/d反相器
cmos反相器

有比反相器
無比反相器



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


由基本的pn結理論可知,處于反偏的pn結的耗盡層將展寬。上圖說明了nmos管在vds較小時的襯底耗盡層變化情況,圖中的淺色邊界是襯底偏置為0時的耗盡層邊界。當襯底與源處于反偏時,襯底中的耗盡區變厚,使得耗盡層中的固定電荷數增加。由于柵電容兩邊電荷守衡,所以,在柵上電荷沒有改變的情況下,耗盡層電荷的增加,必然導致溝道中可動電荷的減少,從而導致導電水平下降。若要維持原有的導電水平,必須增加柵壓,即增加柵上的電荷數。對器件而言,襯底偏置電壓的存在,將使mos晶體管的閾值電壓的數值提高。對nmos,vtn更正,對pmos,vtp更負,即閾值電壓的絕對值提高了。

在工程設計中,襯底偏置效應對閾值電壓的影響可用下面的近似公式計算:

γ為襯底偏置效應系數,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對于pmos晶體管,∆vt取負值,對nmos晶體管,取正值。


對處于動態工作的器件而言,當襯底接一固定電位時,襯偏電壓將隨著源節點電位的變化而變化,產生對器件溝道電流的調制,這稱為背柵調制,用背柵跨導gmb來定義這種調制作用的大小:


到此為止,我們已引出了三個重要端口參數:gm、gds和gmb。這三個參數對應了mos器件的三個信號端口g-s、d-s、b-s,它們反映了端口信號對漏源電流的控制作用。
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