微电子器件(5-4)

IDsat 2
斜率=
β
2
IDsat 1
0
VT VGS1VGS2
VGS
3、 1 µA 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 。
IDsat
斜率=
β
2
IDT
ZµnCOX = 2L
0
VT
VGS
此法简单易行，早期较多采用， 此法简单易行，早期较多采用，且通常将 IDT 定为 1 µA。 。 Z 但此法的误差较大， 但此法的误差较大，特别是对 值不同而其它方面全部相 L 同的 MOSFET 会测出不同的 VT 值。
设沟道上下的纵向电势差为 ( kT/q ) ，则沟道厚度 b 可表为 /
kT b= qEx
根据高斯定理， 根据高斯定理， Nhomakorabea 2qNAφS qNA Ex = − = = εs εs CD (φS ) QA
式中 CD 为沟道耗尽区的 势垒 电容， 电容，
1 2
1 2
εsqNA CD (φS ) = 2φ S
CD (φS ) ↓, 即NA ↓
COX ↑, 即TOX ↓
5.4.3 阈电压的测量
1、联立方程法
IDsat1 =
IDsat2 =
β
2
(VGS1 −VT )
(VGS2 −VT )
2
β
2
2
作为已知数， 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 。 求解上述联立方程，可解出
dn JDsub = −qDn dy dn n(0) − n(L) IDsub = −ZbqDn ≈ ZbqDn dy L q(φS −VDS ) qφS 式中， 式中， n(0) = np0 exp , n(L) = np0 exp kT kT
2qφFP np0 = NA exp − kT
−1
CD (φS ) 式中， 式中， n =1+ COX
于是得到亚阈电流的表达式为
2
kT q VGS −VT Z qVDS IDsub = µnCD (φS ) exp ⋅ 1− exp − q L kT kT n
于是可得沟道厚度为
kT CD (φS ) b= ⋅ q qNA
n(0) − n(L) 将 n(0)、n(L) 和 b 代入 IDsub = ZbqDn 、 中，得 L Z kT CD (φS) qφS qVDS IDsub = qDn ⋅ np0 exp ⋅ 1− exp − L q qNA kT kT
2、 IDsat ~ VGS 法
β 为线性关系。 由 IDsat = (VGS −VT )2 可知 ， IDsat 与 VGS 为线性关系。 2 关系并绘成直线， 测量 MOSFET 在饱和区的 IDsat ~ VGS 关系并绘成直线，其在
如下图所示， 横轴上的截距即为 VT ，如下图所示，
IDsat
1、IDsub 与 VGS 的关系 IDsub 与 VGS 之间为指数关系，当 VGS = VT 时 IDsub ≠ 0； 之间为指数关系， ； 2、IDsub 与 VDS 的关系 较小时， 当 VDS = 0 时 IDsub = 0；当 VDS 较小时，IDsub 随 VDS 的增大而 ；
2
kT 增大； 无关， 增大；但是当 VDS >> 后，IDsub 变得与 VDS 无关，即 IDsub 对 q VDS 而言会发生饱和。 而言会发生饱和。
由于 φFB < φS < 2φFB ，CD(φS ) 中的 φS 可取为 1.5φFB 。
5.4.2 MOSFET 的亚阈区特性
kT q VGS −VT Z qVDS IDsub = µnCD (φS) exp ⋅ 1− exp − q L kT kT n
3、亚阈区栅源电压摆幅 S 定义：亚阈区的转移特性斜率的倒数称为亚阈区栅源电压 定义：亚阈区的转移特性斜率的倒数称为亚阈区栅源电压 摆幅，记为 S ，即 摆幅，
dVGS nkT CD(φS ) kT S≡ = = 1+ d(ln IDsub) q COX q
S 的意义：使 IDsub 扩大 e 倍所需的 VGS 的增量。 的意义： 的增量。 的值要尽量小。 对于作为开关管使用的 MOSFET，要求 S 的值要尽量小。 ， 减小 S 的措施是
定义：使硅表面处于本征状态的 VGS 称为 本征电压 ，记为 定义： Vi 。当 VGS = Vi 时，表面势 φS = φFB，能带弯曲量为 qφFB，表面 本征状态。 处于 本征状态。 弱反型状态， 当 Vi < VGS < VT 时，φFB < φS < 2φFB，表面处于 弱反型状态， 反型层中的少子（电子） 反型层中的少子（电子）浓度介于本征载流子浓度与衬底平衡 多子浓度之间。 多子浓度之间。
Z kT qφS qVDS 2qφFP = µn CD (φS )exp − ⋅ exp ⋅ 1− exp − L q kT kT kT
表面势 φS 与栅源电压 VGS 之间的关系可表为
2
CD (φS ) (VGS −VT ) φS = 2φFP + (VGS −VT ) ⋅ 1+ = 2φFP + COX n
5.4.1 MOSFET 的亚阈漏极电流
在亚阈区，表面弱反型层中的电子浓度较小， 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。 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 时只考虑扩散电流而忽略漂移电流。 时只考虑扩散电流而忽略漂移电流。
5.4 MOSFET 的亚阈区导电
本节以前的漏极电流公式只适用于 VGS > VT ，并假设当 VGS < VT 时 ID = 0 。但实际上当 VGS < VT 时，MOSFET 仍能 微弱导电， 亚阈区导电。这时的漏极电流称为亚阈电 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 。