亞閾值電流及亞閾值擺幅/閾值電壓-KIA MOS管

亞閾值電流

亞閾值電流是在MOS管理想的電流－電壓特性中，當(dāng)Vgs小于 Vt 時(shí)，漏極電流 Id 為0。

亞閾值電流，或稱(chēng)亞閾值漏電流（英語(yǔ)：subthreshold leakage），是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓低于晶體管線性導(dǎo)通所需的閾值電壓、處于截止區(qū)（或稱(chēng)亞閾值狀態(tài)）時(shí)，源極和漏極之間的微量漏電流。

定義

在MOS管理想的電流－電壓特性中，當(dāng)Vgs小于 Vt 時(shí)，漏極電流 Id 為0。而實(shí)際情況是，當(dāng)Vg<Vt 時(shí)，MOS晶體管處于表面弱反型狀態(tài)（與開(kāi)啟時(shí)的強(qiáng)反型有區(qū)別），這個(gè)區(qū)域叫做亞閾值區(qū)。

MOS管工作在亞閾值區(qū)時(shí)，溝道中雖然存在反型載流子，但濃度較低，因而此時(shí) Id 很小，但不為0，此電流稱(chēng)為亞閾值電流。

亞閾值擺幅

亞閾值擺幅（Subthreshold swing）， 又稱(chēng)為 S因子。這是MOSFET在亞閾狀態(tài)工作時(shí)、用作為邏輯開(kāi)關(guān)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它定義為：

S = dVgs / d(log10 Id)，單位是[mV/dec]。S在數(shù)值上就等于為使漏極電流Id變化一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)所需要的柵極電壓增量ΔVgs，注意S是從Vg-Id曲線上的最大斜率處提取出來(lái)的。表示著Id~Vgs關(guān)系曲線的上升率。

S值與器件結(jié)構(gòu)和溫度等有關(guān)：襯底反向偏壓將使表面耗盡層電容CD減小，則S值減?。唤缑嫦葳宓拇嬖趯⒃黾右粋€(gè)與CD并聯(lián)的陷阱容，使S值增大；溫度升高時(shí)，S值也將增大。

為了提高M(jìn)OSFET的亞閾區(qū)工作速度，就要求S值越小越好，為此應(yīng)當(dāng)對(duì)MOSFET加上一定的襯偏電壓和減小界面陷阱。

室溫條件下（T=300k），MOS型器件 S的理論最小值為log(10)*KT/q=59.6mV/dec≈60 mV/dec，但一些新型器件，如隧穿器件（TunnelingTransistor），可以獲得低于此理論值的亞閾值擺幅。

在大規(guī)模數(shù)字集成電路的縮小規(guī)則中， 恒定電壓縮小規(guī)則、 恒定電場(chǎng)縮小規(guī)則等都不能減小S值，所以這些縮小規(guī)則都不適用，只有采用半經(jīng)驗(yàn)的恒定亞閾特性縮小規(guī)則才比較合理。

閾值電壓

閾值電壓（英語(yǔ)：Threshold voltage），又稱(chēng)閾電壓或開(kāi)啟電壓，通常指的是在TTL或MOSFET的傳輸特性曲線（輸出電壓與輸入電壓關(guān)系圖線）中，在轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓的值。

當(dāng)器件由空乏向反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變時(shí)，要經(jīng)歷一個(gè)Si表面電子濃度等于電洞濃度的狀態(tài)。此時(shí)器件處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，器件的閘極電壓定義為閾值電壓，它是MOSFET的重要參數(shù)之一。

亞閾值擺幅公式

其中 φs為表面電勢(shì)，ID為漏電流，第一項(xiàng) m 表示 VGS對(duì)表面電勢(shì) φs的調(diào)控能力，m越小，柵對(duì)溝道的調(diào)控能力越強(qiáng)，反之，越弱，m 取決于柵結(jié)構(gòu)及介質(zhì)材料。第二項(xiàng)n 表示電流 ID提升一個(gè)數(shù)量級(jí)所需要的表面電勢(shì)變化量，其大小取決于電流導(dǎo)電機(jī)制。

壓閾值擺幅 SS 定義為電流變化一個(gè)數(shù)量級(jí)所需要的 VGS變化量（亞閾值擺幅為柵控源漏電流曲線的的斜率）。

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