集成電路知識|MOS管二級效應及其小信號等效-KIA MOS管

MOS管二級效應及其小信號等效

二級效應

體效應

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。主要是由于當源極與襯底存在壓差時(shí)，閾值電壓會(huì )發(fā)生變化，具體可參考劉恩科等著(zhù)《半導體物理》第七版第八章MOS結構的介紹。考慮體效應后閾值電壓變化為：

MOS管，二級效應

溝道長(cháng)度調制

溝道長(cháng)度調制與前述的Leff和LDrawn的差異不同，前者是由于電流達到飽和后，在Leff中的導電粒子實(shí)際占據的溝道長(cháng)度，當VGS增大，Leff會(huì )進(jìn)一步減小，后者是由于工藝的設計以及電子的熱運動(dòng)特性所引起的理想與實(shí)際的長(cháng)度差異，器件一旦生產(chǎn)就已經(jīng)固定。

考慮溝道長(cháng)度調制效應后的飽和電流方程為：

MOS管，二級效應

亞閾值導電

前面討論的電流方程都是在VGS－VTH > 0的情況下，實(shí)際上當VGS ≈ VTH時(shí)一個(gè)弱的反型層仍然存在，甚至VGS < VTH時(shí)ID也不是無(wú)限小，而是與VGS呈現指數關(guān)系，該效應就稱(chēng)之為亞閾值導電，且有：

MOS管，二級效應

亞閾值導電由于其指數級的增長(cháng)方式，會(huì )使得器件會(huì )有較大的增益，然而由于其電流較小，使得電路的速度時(shí)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(shí)際的應用中信號往往表現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(huì )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上對交流小信號進(jìn)行分析。

所謂小信號模型，是指電路中各個(gè)管子都正常工作在指定的區域（通常為飽和區）的情況下，施加一個(gè)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，可以通過(guò)一個(gè)壓控電流源來(lái)進(jìn)行小信號等效。

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

MOS管，二級效應

2.考慮溝長(cháng)調制效應時(shí)，漏電流隨漏源電壓變化而變化，因此，將其等效為一個(gè)由$V_{DS}$控制的壓控電流源，如下圖（a）同時(shí)可以觀(guān)察到$V_{DS}$施加在電流源的兩端，且其電流大小隨$V_{DS}$線(xiàn)性增加，實(shí)際上滿(mǎn)足線(xiàn)性電阻的性質(zhì)，故也可將其等效為一個(gè)線(xiàn)性電阻$r_o$，如圖（b）

MOS管，二級效應

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

MOS管，二級效應