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集成電路知識|MOS管二級效應(yīng)及其小信號等效-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-11-26 

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集成電路知識|MOS管二級效應(yīng)及其小信號等效-KIA MOS管


MOS管二級效應(yīng)及其小信號等效

二級效應(yīng)

體效應(yīng)

由于源極和襯底之間存在電壓差,是的器件的電流方程偏離上述公式。主要是由于當(dāng)源極與襯底存在壓差時,閾值電壓會發(fā)生變化,具體可參考劉恩科等著《半導(dǎo)體物理》第七版第八章MOS結(jié)構(gòu)的介紹。考慮體效應(yīng)后閾值電壓變化為:


MOS管,二級效應(yīng)


溝道長度調(diào)制

溝道長度調(diào)制與前述的Leff和LDrawn的差異不同,前者是由于電流達到飽和后,在Leff中的導(dǎo)電粒子實際占據(jù)的溝道長度,當(dāng)VGS增大,Leff會進一步減小,后者是由于工藝的設(shè)計以及電子的熱運動特性所引起的理想與實際的長度差異,器件一旦生產(chǎn)就已經(jīng)固定。


考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)后的飽和電流方程為:

MOS管,二級效應(yīng)


亞閾值導(dǎo)電

前面討論的電流方程都是在VGS-VTH > 0的情況下,實際上當(dāng)VGS ≈ VTH時一個弱的反型層仍然存在,甚至VGS < VTH時ID也不是無限小,而是與VGS呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系,該效應(yīng)就稱之為亞閾值導(dǎo)電,且有:

MOS管,二級效應(yīng)


亞閾值導(dǎo)電由于其指數(shù)級的增長方式,會使得器件會有較大的增益,然而由于其電流較小,使得電路的速度時極其有限的。


MOS管的小信號等效:

前述我們介紹了電路的大信號模型即直流信號模型,但是實際的應(yīng)用中信號往往表現(xiàn)出交流小信號的特性,其幅值遠小于直流信號,在電路中我們通常會考慮電路的交流放大情況,這使得需要在前述大信號的基礎(chǔ)上對交流小信號進行分析。


所謂小信號模型,是指電路中各個管子都正常工作在指定的區(qū)域(通常為飽和區(qū))的情況下,施加一個低頻的小信號增量考慮管子漏源之間的電流變化情況。由于漏電流是柵源之間的電壓的函數(shù),可以通過一個壓控電流源來進行小信號等效


1.不考慮二級效應(yīng)時,等效模型如下,gm是柵源電壓轉(zhuǎn)換為電流的能力,也就是我們前面提到的跨導(dǎo)。


MOS管,二級效應(yīng)


2.考慮溝長調(diào)制效應(yīng)時,漏電流隨漏源電壓變化而變化,因此,將其等效為一個由$V_{DS}$控制的壓控電流源,如下圖(a)同時可以觀察到$V_{DS}$施加在電流源的兩端,且其電流大小隨$V_{DS}$線性增加,實際上滿足線性電阻的性質(zhì),故也可將其等效為一個線性電阻$r_o$,如圖(b)


MOS管,二級效應(yīng)


3. 考慮襯底偏置效應(yīng)(體效應(yīng)) 前面我們提到,MOSFET是一個四端器件,通常將襯底和源極相連作為三端器件使用,但是考慮體效應(yīng)時,$V_{BS}$會對漏電流產(chǎn)生影響,廣義上來看,襯底起到了MOSFET另一個柵的作用,類似的用一個壓控電流源對其產(chǎn)生的影響進行模擬,其等效模型如下圖:


MOS管,二級效應(yīng)


通過類比跨導(dǎo)的定義,可以得到:

MOS管,二級效應(yīng)


應(yīng)當(dāng)注意到的是,前述模型均考慮的是低頻小信號模型,在高頻信號下,還應(yīng)當(dāng)考慮MOS管的寄生電容,但是在一般的如放大器的設(shè)計中,上述模型已經(jīng)足夠,考慮電容后完整的小信號模型為


MOS管,二級效應(yīng)




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