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一文解析MOS管的三个二级效应

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发表于 2021-3-22 11:50:49 | 显示全部楼层 |阅读模式

  在我们之前的分析中,我们都认为MOS管的衬底和源极相连,即VBS=0。但在很多情况下,源极和衬底的电位并不相同。


  对NMOS管而言,衬底通常接电路的电位(GND),有VBS《0;


  对PMOS管而言,衬底通常接电路的电位(VDD),有VBS》0。


  这时,MOS管的阈值电压将随其源极和衬底之间电位的不同而发生变化,这一效应称为“体效应”,又称为“背栅效应”。


  从对MOS管工作原理的分析中我们知道,随着VGS的上升,衬底内部的电子向衬底表面运动,并在衬底表面产生了耗尽层。当VGS上升到一定的电压——阈值电压时,栅极下的衬底表面发生反型,NMOS管在源漏之间开始导电。阈值电压的大小和耗尽层的电荷量有关,耗尽层的电荷量越多,NMOS管的开启就越困难,阈值电压就越高。当VBS》0时,栅极和衬底之间的电位差加大,耗尽层的厚度也变大,耗尽层内的电荷量增加,所以造成阈值电压变大。在考虑体效应后,阈值电压Vth为:



  其中Vth0为VBS=0时的阈值电压,r是体效应系数,VSB是源衬电势差。


  体效应通常是我们不希望有的。因为阈值电压的变化经常会使模拟电路的设计复杂化。


  沟道长度调制效应


  在对MOS管工作原理的分析中,我们知道,当栅和漏之间的电压差增大时,实际的反型沟道逐渐减小。也就是说在式中,L‘实际上是VDS的函数。这一效应称为“沟道长度调制”在饱和区,我们可以得到:



  如图所示,这种现象使得ID/VDS特性曲线在饱和区出现非零斜率,因而使得源和漏之间的电流源非理想。



  需要注意的是,只当器件工作在饱和区时,需要考虑沟道长度调制效应。在三极管区,不存在沟道长度调制效应。


  亚阈值导电性


  在分析MOSFET时,我们一直假设:当VGS下降到低于VTH时器件会突然关断。实际上,当VGS约等于VTH时,一个“弱”的反型层仍然存在。甚至当VGS《VTH时,ID也并非是无限小,而是与VGS呈现指数关系。这种效应称为“亚阈值导电”。当VDS大于100mV左右时,这一效应可以用公式表示为



  式中,I0正比于W/L,VT=kT/q。我们称器件工作在弱反型区,当VGS》VTH时,器件工作在强反型区。亚阈值导电会导致大的功率损耗,造成不必要的功率消耗。


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