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MOS晶体管亚阈状态详细详解

2020年11月30日14:27 

MOS晶体管亚阈状态详细详解

MOS晶体管亚阈状态

晶体管亚阈状态是MOSFET的一种重要工作状态(工作模式),又称为MOSFET的亚阈值区(Subthreshold region)。

这是MOSFET的栅极电压Vgs处在阈值电压VT以下、又没有出现导电沟道的一种工作状态,即是Vgs≤VT 、表面势ψs ≈ 费米势ψb(即表面为弱反型)的状态。这时还是有一股较小的电流通过器件,该电流即称为亚阈电流。

亚阈电流虽然较小,但是它却能很好地够受到栅极电压的控制,所以亚阈状态的MOSFET在低电压、低功耗应用时很有利,特别是在逻辑开关和存储器等的大规模集成电路应用中非常受到人们的重视。

电流产生机理

MOSFET在没有出现表面沟道的情况下,它的“源区(n+)-衬底(p)-漏区(n+)”即自然地构成了一个n+-p-n+双极型晶体管(基区宽度为沟道长度);而栅-源电压的作用,使得半导体表面发生弱反型(产生表面势ψs),即导致衬底表面附近处的电子能量降低;而源-漏电压又在p型区表面附近处产生电子的漂移电场,即导致源-漏之间的能带倾斜。

亚阈电流就是由源区注入到衬底表面的少数载流子、并扩散到漏区所形成的电流,本质上是少数载流子的扩散电流(在半导体衬底表面附近处的扩散电流)。当然,由于对应的n+-p-n+双极晶体管的基区宽度很大,所以通过的亚阈电流也必然较小,而且电流放大系数也必然很低。

MOS晶体管亚阈状态特性

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因为ψs = Vgs–VT , 则MOSFET的亚阈电流为Idsub∝ exp(qψs/kT) ∝ exp(q [Vgs–VT] /kT) ,即输出的亚阈电流随着输入栅-源电压Vgs作指数式增大;并且在Vds>3kT/q时, 亚阈电流与Vds的关系不大。但在Vgs>VT (即ψs > 2ψfb,即出现沟道) 时,则输出源-漏电流与Vgs之间有线性或平方的关系,这属于正常的MOSFET传导的电流。

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