集成電路知識|MOS管二級效應(yīng)及其小信號等效-KIA MOS管

MOS管二級效應(yīng)及其小信號等效

二級效應(yīng)

體效應(yīng)

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，閾值電壓會發(fā)生變化，具體可參考劉恩科等著《半導(dǎo)體物理》第七版第八章MOS結(jié)構(gòu)的介紹。考慮體效應(yīng)后閾值電壓變化為：

溝道長度調(diào)制

溝道長度調(diào)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(dǎo)電粒子實際占據(jù)的溝道長度，當VGS增大，Leff會進一步減小，后者是由于工藝的設(shè)計以及電子的熱運動特性所引起的理想與實際的長度差異，器件一旦生產(chǎn)就已經(jīng)固定。

考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)后的飽和電流方程為：

亞閾值導(dǎo)電

前面討論的電流方程都是在VGS－VTH > 0的情況下，實際上當VGS ≈ VTH時一個弱的反型層仍然存在，甚至VGS < VTH時ID也不是無限小，而是與VGS呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，該效應(yīng)就稱之為亞閾值導(dǎo)電，且有：

亞閾值導(dǎo)電由于其指數(shù)級的增長方式，會使得器件會有較大的增益，然而由于其電流較小，使得電路的速度時極其有限的。

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，但是實際的應(yīng)用中信號往往表現(xiàn)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(chǔ)上對交流小信號進行分析。

所謂小信號模型，是指電路中各個管子都正常工作在指定的區(qū)域（通常為飽和區(qū)）的情況下，施加一個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(shù)，可以通過一個壓控電流源來進行小信號等效。

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

2.考慮溝長調(diào)制效應(yīng)時，漏電流隨漏源電壓變化而變化，因此，將其等效為一個由$V_{DS}$控制的壓控電流源，如下圖（a）同時可以觀察到$V_{DS}$施加在電流源的兩端，且其電流大小隨$V_{DS}$線性增加，實際上滿足線性電阻的性質(zhì)，故也可將其等效為一個線性電阻$r_o$，如圖（b）

3. 考慮襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)） 前面我們提到，MOSFET是一個四端器件，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(yīng)時，$V_{BS}$會對漏電流產(chǎn)生影響，廣義上來看，襯底起到了MOSFET另一個柵的作用，類似的用一個壓控電流源對其產(chǎn)生的影響進行模擬，其等效模型如下圖：

通過類比跨導(dǎo)的定義，可以得到：

應(yīng)當注意到的是，前述模型均考慮的是低頻小信號模型，在高頻信號下，還應(yīng)當考慮MOS管的寄生電容，但是在一般的如放大器的設(shè)計中，上述模型已經(jīng)足夠，考慮電容后完整的小信號模型為：

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