襯偏效應,襯偏效應和體效應,襯偏效應的影響-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2024-04-15
對于MOS-IC而言，在工作時，其中各個MOSFET的襯底電位是時刻變化著的，若對器件襯底的電位不加以控制的話，那么就有可能會出現(xiàn)場感應結以及源-襯底結出現(xiàn)正偏的現(xiàn)象；一旦發(fā)生這種現(xiàn)象時，器件和電路的溝道導電作用即告失效。
所以，對于IC中的MOSFET，需要在襯底與源區(qū)之間加上一個適當高的反向電壓，以使得場感應結始終保持為反偏狀態(tài)，該所加的電壓就稱為襯偏電壓，這樣一來即可保證溝道始終能夠正常導電。簡言之，襯偏電壓就是為了防止MOSFET的場感應結以及源結和漏結發(fā)生正偏、而加在源-襯底之間的反向電壓。
由于加上了襯偏電壓的緣故，即會引起若干影響器件性能的現(xiàn)象和問題，這就是襯偏效應（襯偏調制效應），又稱為MOSFET的體效應。
MOSFET 的體效應（body-effect，也叫襯底調制效應/襯偏效應），主要是來源于 MOS 管的 S-B（Source-Bulk）端之間的偏壓對 MOSFET 閾值電壓 vth 的影響：
以 NMOS 的晶體管為例，當晶體管的源端的電勢高于體端電勢時，源和體區(qū)的二極管反偏程度增加，柵下面的表面層中將有更多的空穴被吸引到襯底，使耗盡層中留下的不能移動的負離子增多，耗盡層寬度增加，耗盡層中的體電荷面密度 Qdep 也增加。
而從一般的 MOSFET 的閾值電壓的關系式中 Vth 與 Qdep 的關系（可以考率 Vth 為 MOS 柵電容提供電荷以對應另一側耗盡區(qū)固定電荷的大小），可以看到閾值電壓將升高。
在考慮體效應之后，MOS 管的閾值電壓可以寫為：
其中 γ 稱為體效應因子， 通常與具體工藝相關。
我們可以在圖二直觀的了解 VSB 對 Vth 的影響，隨著 VSB 電壓的增加，閾值電壓相應的增大。
相應的, 由于體效應的存在, 在 MOSFET 的小信號模型中, 需要在 gm*VGS 的電流源旁并聯(lián)一個大小為 gmb*VBS 的電流源。
實際上，體效應也可看成在 MOSFET 中存在由體端電壓控制的寄生的 JFET，若認為 MOSFET 的柵電壓通過柵電容 Cox 控制溝道，則此 JFET 可以認為是通過耗盡區(qū)電容 CD 來控制溝道的導電能力。
對于 N 阱工藝，由于阱區(qū)的摻雜濃度一般高于襯底的摻雜濃度，考慮到體效應與雜質濃度成正比（也可認為 N-well 中有更大的耗盡層電容），因此 PMOS 相較 NMOS 有更顯著的體效應。
一般可以將PMOS 的 N-well 和 S 端接一起以消除體效應時，但此時需要注意 N-well 到襯底的電容的影響（這一電容在模型中可能不會考慮，一般可以假設電容大小為0.1fF/um^2 ） 確定是否影響電路中的信號通路。
襯偏效應的影響：
1.閾值電壓升高
2.溝道電阻增大
3.產生背柵調制作用
4.產生襯底電容
5.輸出電阻降低
如何降低襯偏效應的影響？
1、將源端與漏端短接。這也是采用的方法，如將NMOS的源漏都接地，將PMOS的源漏都接VDD。
2、改進電路結構。對于某些不能將源漏短接的情況，便只能在電路結構層面上進行改進。如在CMOS中采用有源負載。
3、降低襯底的摻雜濃度，或者減小氧化層厚度（增強柵極的控制能力）。
4、源極和襯底短接。這可以完全消除襯偏效應的影響，但是這需要電路和器件結構以及制造工藝的支持，并不是在任何情況下都能夠做得到的。
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