什么是MOS晶體管亞閾狀態(tài)?干貨分析-KIA MOS管

MOS晶體管亞閾狀態(tài)

晶體管亞閾狀態(tài)是MOSFET的一種重要工作狀態(tài)（工作模式），又稱為MOSFET的亞閾值區(qū)（Subthreshold region）。

這是MOSFET的柵極電壓Vgs處在閾值電壓VT以下、又沒有出現(xiàn)導(dǎo)電溝道的一種工作狀態(tài)，即是Vgs≤VT 、表面勢ψs ≈ 費米勢ψb（即表面為弱反型)的狀態(tài)。這時還是有一股較小的電流通過器件，該電流即稱為亞閾電流。

亞閾電流雖然較小，但是它卻能很好地夠受到柵極電壓的控制，所以亞閾狀態(tài)的MOSFET在低電壓、低功耗應(yīng)用時很有利，特別是在邏輯開關(guān)和存儲器等的大規(guī)模集成電路應(yīng)用中非常受到人們的重視。

電流產(chǎn)生機理

MOSFET在沒有出現(xiàn)表面溝道的情況下，它的“源區(qū)(n+)-襯底(p)-漏區(qū)(n+)”即自然地構(gòu)成了一個n+-p-n+雙極型晶體管（基區(qū)寬度為溝道長度）；而柵-源電壓的作用，使得半導(dǎo)體表面發(fā)生弱反型（產(chǎn)生表面勢ψs），即導(dǎo)致襯底表面附近處的電子能量降低；而源-漏電壓又在p型區(qū)表面附近處產(chǎn)生電子的漂移電場，即導(dǎo)致源-漏之間的能帶傾斜。

亞閾電流就是由源區(qū)注入到襯底表面的少數(shù)載流子、并擴(kuò)散到漏區(qū)所形成的電流，本質(zhì)上是少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流（在半導(dǎo)體襯底表面附近處的擴(kuò)散電流）。當(dāng)然，由于對應(yīng)的n+-p-n+雙極晶體管的基區(qū)寬度很大，所以通過的亞閾電流也必然較小，而且電流放大系數(shù)也必然很低。

MOS晶體管亞閾狀態(tài)特性

MOS,亞閾狀態(tài)

因為ψs = Vgs–VT , 則MOSFET的亞閾電流為Idsub∝ exp(qψs/kT) ∝ exp(q [Vgs–VT] /kT) ，即輸出的亞閾電流隨著輸入柵-源電壓Vgs作指數(shù)式增大；并且在Vds>3kT/q時, 亞閾電流與Vds的關(guān)系不大。但在Vgs>VT (即ψs > 2ψfb，即出現(xiàn)溝道) 時,則輸出源-漏電流與Vgs之間有線性或平方的關(guān)系，這屬于正常的MOSFET傳導(dǎo)的電流。

MOSFET的這種亞閾工作狀態(tài)與其飽和工作狀態(tài)相比，具有低電壓和低功耗的優(yōu)點，在邏輯應(yīng)用中有很大的價值。所以，在超大規(guī)模集成電路中，雖然采用的基本器件是MOSFET，但是其工作的物理基礎(chǔ)卻是雙極型晶體管原理。

亞閾狀態(tài)的性能指標(biāo)——亞閾值斜率（柵壓擺幅）：

由于MOSFET的亞閾電流IDsub隨著VGS的增大而指數(shù)式增加，為了表征這種柵-源電壓對于亞閾電流的影響狀況（即亞閾特性的好壞），就引入一個所謂亞閾值斜率（柵極電壓擺幅）S的參量。S定義為：S=dVgs/d(lgIdsub)。S即表示亞閾電流Idsub減小10倍所需要的柵-源電壓（單位是[mV/dec]）。

顯然，S的值愈小，器件的開關(guān)（即在導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)之間的轉(zhuǎn)換）速度就愈快。因此S值的大小反映了MOSFET在亞閾區(qū)的開關(guān)性能。在理想情況下，可求得S=59.6 mV/dec，這就表明，當(dāng)柵-源電壓改變大約60mV時就會使亞閾電流發(fā)生很大的變化。

因為MOSFET的亞閾電流是少數(shù)載流子擴(kuò)散電流，所以亞閾電流與Vgs的關(guān)系、即S的大小，將與影響少數(shù)載流子注入效率及其運動的因素、以及影響柵極控制能力的因素有關(guān)。

這些因素主要有襯底摻雜濃度、半導(dǎo)體表面電容、表面態(tài)密度和溫度。降低襯底摻雜濃度和減小半導(dǎo)體表面態(tài)密度，減小耗盡層電容和增大氧化層電容，以及降低溫度，都可以減小S值。

從而，為了提高M(jìn)OSFET的亞閾區(qū)工作速度，就應(yīng)當(dāng)盡量減小MOS柵極系統(tǒng)中的界面態(tài)和降低襯底摻雜濃度，并且在MOSFET工作時應(yīng)當(dāng)加上一定的襯偏電壓（以減小耗盡層電容）和保持器件的溫度升高不要太大。

MOS電容、亞閾值

1.亞閾值條件下ID與VGS的關(guān)系？

在MOS的I-V特性中，當(dāng)VGS略小于VT時， MOS管已開始導(dǎo)通，仍會產(chǎn)生一個弱反型層，從而會產(chǎn)生由漏流向源的電流，稱為亞閾值導(dǎo)通，而且ID與VGS呈指數(shù)關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式為：

MOS,亞閾狀態(tài)

下圖反映了NMOS與PMOS器件的柵源電壓VGS從0V到1.0V的掃描變化對漏極電流ID的關(guān)系特性曲線：

MOS,亞閾狀態(tài)

從圖中我們可以看出，當(dāng)0<VGS<0.52V時，MOS管處于亞閾值區(qū)，隨著VGS的增加，ID成指數(shù)規(guī)律上升；當(dāng)0.52V <VGS<0.66V時，MOS管內(nèi)部載流子達(dá)到速度飽和，處于飽和區(qū)：當(dāng)VGS>0.66V時,MOS管處于線性區(qū)，之后進(jìn)入強反型區(qū)。

亞閾值區(qū)電流的流動機制是由少數(shù)載流子的擴(kuò)散引起的，這種擴(kuò)散發(fā)生在柵極電壓比VT小幾個熱電壓的時候。在亞閾值區(qū)，MOS管像是個BJT，襯底為基極，漏源分別是發(fā)射極和集電極。因此，電流模型可以通過利用一個基于雙極模型的公式推導(dǎo)來實現(xiàn)，電流公式為：

MOS,亞閾狀態(tài)