什么是MOS晶体管亚阈状态详解

什么是MOS晶体管亚阈状态详解

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

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。

MOSFET的这种亚阈工作状态与其饱和工作状态相比，具有低电压和低功耗的优点，在逻辑应用中有很大的价值。所以，在超大规模集成电路中，虽然采用的基本器件是MOSFET，但是其工作的物理基础却是双极型晶体管原理。

亚阈状态的性能指标——亚阈值斜率（栅压摆幅）：

由于MOSFET的亚阈电流IDsub随着VGS的增大而指数式增加，为了表征这种栅-源电压对于亚阈电流的影响状况（即亚阈特性的好坏），就引入一个所谓亚阈值斜率（栅极电压摆幅）S的参量。S定义为：S=dVgs/d(lgIdsub)。S即表示亚阈电流Idsub减小10倍所需要的栅-源电压（单位是[mV/dec]）。

显然，S的值愈小，器件的开关（即在导通态和截止态之间的转换）速度就愈快。因此S值的大小反映了MOSFET在亚阈区的开关性能。在理想情况下，可求得S=59.6 mV/dec，这就表明，当栅-源电压改变大约60mV时就会使亚阈电流发生很大的变化。

因为MOSFET的亚阈电流是少数载流子扩散电流，所以亚阈电流与Vgs的关系、即S的大小，将与影响少数载流子注入效率及其运动的因素、以及影响栅极控制能力的因素有关。

这些因素主要有衬底掺杂浓度、半导体表面电容、表面态密度和温度。降低衬底掺杂浓度和减小半导体表面态密度，减小耗尽层电容和增大氧化层电容，以及降低温度，都可以减小S值。

从而，为了提高MOSFET的亚阈区工作速度，就应当尽量减小MOS栅极系统中的界面态和降低衬底掺杂浓度，并且在MOSFET工作时应当加上一定的衬偏电压（以减小耗尽层电容）和保持器件的温度升高不要太大。

1.亚阈值条件下ID与VGS的关系？  

在MOS的I-V特性中，当VGS略小于VT时， MOS管已开始导通，仍会产生一个弱反型层，从而会产生由漏流向源的电流，称为亚阈值导通，而且ID与VGS呈指数关系，关系表达式为：

下图反映了NMOS与PMOS器件的栅源电压VGS从0V到1.0V的扫描变化对漏极电流ID的关系特性曲线：

MOS,亚阈状态

从图中我们可以看出，当0<VGS<0.52V时，MOS管处于亚阈值区，随着VGS的增加，ID成指数规律上升；当0.52V <VGS<0.66V时，MOS管内部载流子达到速度饱和，处于饱和区：当VGS>0.66V时,MOS管处于线性区，之后进入强反型区。

亚阈值区电流的流动机制是由少数载流子的扩散引起的，这种扩散发生在栅极电压比VT小几个热电压的时候。在亚阈值区，MOS管像是个BJT，衬底为基极，漏源分别是发射极和集电极。因此，电流模型可以通过利用一个基于双极模型的公式推导来实现，电流公式为：

由上式可知：在亚阈值区中，希望降低VGS时电流也会显著降低。
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