微电子器件(5- 4)

5.4MOSFET的亚阈区导电本节以前的漏极电流公式只适用于VGSVT，并假设当VGS=VT时ID=0。但实际上当VGSVT时，MOSFET仍能微弱导电，这称为亚阈区导电。这时的漏极电流称为亚阈电流，记为IDsub。定义：使硅表面处于本征状态的VGS称为本征电压，记为Vi。当VGS=Vi时，表面势S=FB，能带弯曲量为qFB，表面处于本征状态。当ViVGSVT时，FBS2FB，表面处于弱反型状态，反型层中的少子浓度介于本征浓度与衬底平衡多子浓度之间，这个区域就是亚阈区。在亚阈区，表面弱反型层中的电子浓度较小，所以漂移电流很小；但电子浓度的梯度却很大，所以扩散电流较大。因此在计算IDsub时只计入扩散电流而忽略漂移电流。ynqDJddnDsubynZbqDIddnDsub式中，kTqnnSp0exp)0(kTVqnLnDSS0pexp)(LLnnZbqD)()0(n5.4.1MOSFET的亚阈漏极电流设沟道上下的纵向电势差为(kT/q)，则沟道厚度b可表为xqEkTb根据高斯定理，)(2SDA21sSAsACqNqNQEx定义沟道耗尽区的势垒电容为21SsASASD2dd)(qNQC于是可得沟道厚度为ASD)(qNCqkTb将n(0)、n(L)和b代入IDsub中，得kTqVkTqnqNCqkTqDLZIDSS0pASDnDsubexp1exp)(kTqVkTqkTqCqkTLZDSSFPSD2nexp1exp2exp)(表面势S与栅源电压VGS之间的关系可表为nVVCCVVTGSFP1OXSDTGSFPS2)(12式中，OXSD)(1CCn由于FBS2FB，CD(S)中的S可取为1.5FB。于是得到亚阈电流的表达式为kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSSD2nDsubexp1exp)(1、IDsub与VGS的关系当VGS=VT时IDsub≠0，IDsub与VGS之间为指数关系。2、IDsub与VDS的关系当VDS=0时IDsub=0；当VDS较小时，IDsub随VDS的增大而增大；但是当后，IDsub变得与VDS无关，即IDsub对VDS而言会发生饱和。qkTVDS5.4.2MOSFET的亚阈区特性kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSSD2nDsubexp1exp)(ASD,)(NC即OXOX,TC即定义亚阈区栅源电压摆幅S为亚阈区转移特性斜率的倒数，即qkTCCqnkTIVSOXSDDsubGS)(1)(lnddS的意义：使IDsub扩大e倍所需的VGS的增量。对于作为开关管使用的MOSFET，要求S的值要尽量小。减小S的措施：3、亚阈区栅源电压摆幅S2T1GSDsat1)(2VVI1、联立方程法将测量获得的VGS1、IDsat1、VGS2和IDsat2作为已知数，通过求解上述联立方程，可解出β和VT。2T2GSDsat2)(2VVI5.4.3阈电压的测量2、法由可知，与为线性关系。测量MOSFET在饱和区的关系并绘成直线，其在横轴上的截距即为VT，如下图所示，2TGSsatD2VVIDsatIGSVDsatI1DsatI2DsatIGSV2GSV1GSVTV2斜率0DsatGS~IVDsatGS~IV但此法的误差较大，特别是对值不同而其它方面全部相同的MOSFET会测出不同的VT值。3、1A法类似于测量PN结的正向导通电压VF或击穿电压VB，将漏极电流达到某一规定值IDT时的VGS作为阈电压VT。DsatIDTIGSVTV0LCZ22OXn斜率此法简单易行，早期较多采用，且通常将IDT定为1A。LZ