MOS管知識-mosfet體效應(襯偏效應)詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-10-10
關于MOSFET的體效應（body-effect,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為例，當晶體管的源端（Source)電勢高于體端（Bulk)電勢時，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固定電荷的大小），可以看到閾值將升高。
在考慮體效應之后，MOS管的閾值電壓可以寫為：
我們亦可以在下圖直觀的了解VSB對Vth的影響：
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的電流源旁并聯一個大小為gmb*VBS的電流源
MOSFET的工作是通過在半導體表面產生導電溝道—表面反型層來進行的，因此器件中存在一個由柵極電壓所誘生出來的p-n結—場感應結。一旦出現了溝道，則溝道以內的耗盡層厚度即達到最大，并保持不再變化(柵電壓不再能夠改變耗盡層厚度)。
(1)什么是襯偏效應？
對于MOS-IC而言，在電路工作時，其中各個MOSFET的襯底電位是時刻變化著的，如果對器件襯底的電位不加以控制的話，那么就有可能會出現場感應結以及源-襯底結正偏的現象；一旦發生這種現象時，器件和電路即告失效。所以，對于IC中的MOSFET，需要在襯底與源區之間加上一個適當高的反向電壓——襯偏電壓，以保證器件始終能夠正常工作。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，將要引起若干影響器件性能的現象和問題，這就是襯偏效應（襯偏調制效應），又稱為MOSFET的體效應。
這種襯偏電壓的作用，實際上就相當于是一個JFET的功能——溝道-襯底的場感應p-n結作為柵極控制著輸出電流IDS的大小。所以，對于加有襯偏電壓的MOSFET，從工作本質上來說，可看成是由一個MOSFET和一個JFET并聯而成的器件，只不過其中JFET的作用在此特別稱為MOSFET的體效應而已。這就是說，加上襯偏電壓也就相當于引入了一個額外的JFET。
(2)襯偏效應對器件性能的影響： ①MOSFET在出現溝道（反型層）以后，雖然溝道下面的耗盡層厚度達到了最大（這時，柵極電壓即使再增大，耗盡層厚度也不會再增大）；但是，襯偏電壓是直接加在源-襯底之間的反向電壓，它可以使場感應結的耗盡層厚度進一步展寬，并引起其中的空間電荷面密度增加，從而導致器件的閾值電壓VT升高。而閾值電壓的升高又將進一步影響到器件的IDS及其整個的性能，例如柵極跨導降低等。 襯底摻雜濃度越高，襯偏電壓所引起的空間電荷面密度的增加就越多，則襯偏效應越顯著。例如，p阱-CMOS中的n-MOSFET，它的襯偏效應就要比p-MOSFET的嚴重得多。
②由于襯偏電壓將使場感應結的耗盡層厚度展寬、空間電荷面密度增加，所以，當柵極電壓不變時，襯偏電壓就會使溝道中的載流子面電荷密度減小，從而就使得溝道電阻增大，并導致電流減小、跨導降低。 ③當MOSFET在動態工作時，源極電位是不斷在變化著的，則加在源-襯底之間的襯偏電壓也將相應地隨著而不斷變化；這就產生所謂背柵調制作用，即呈現出一定JFET的功能。 ④由于襯偏電壓會引起背柵調制作用，使得溝道中的面電荷密度隨著源極電位而發生變化，即產生了一種電容效應，這個電容就稱為襯偏電容。襯偏電容的出現即將明顯地影響到器件的開關速度。
⑤由于MOSFET在加有襯偏電壓時，即將增加一種背柵調制作用，從而就額外產生出一個與此背柵調制所對應的交流電阻；于是，這就將使得器件的總輸出電阻降低，并導致電壓增益下降。所以，減小襯偏效應將有利于提高電壓增益。(3)減弱或消除襯偏效應的措施： ①把源極和襯底短接起來，當然可以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。
例如，對于p阱CMOS器件，其中的n-MOSFET可以進行源-襯底短接，而其中的p-MOSFET則否；對于n阱CMOS器件，其中的p-MOSFET可以進行源-襯底短接，而其中的n-MOSFET則否。 ②改進電路結構來減弱襯偏效應。例如，對于CMOS中的負載管，若采用有源負載來代替之，即可降低襯偏調制效應的影響（因為當襯偏效應使負載管的溝道電阻增大時,有源負載即提高負載管的VGS來使得負載管的導電能力增強）。
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