亚阈值区和深三极管区讲解-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了亚阈值区和深三极管区讲解。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

对于CMOS管，电压电流关系如下：

mos管亚阈值区电流公式,学习笔记,cmos集成电路基础,射频工程,硬件架构,fpga开发

不过gm的两段论还是粗浅了，在深亚微米的工艺下，CMOS不仅工作在饱和区和线性区，还有可能工作在亚阈值区和深三极管区。

亚阈值区（即second-effect order效应中的subthreshold conduction）是CMOS器件在现实中并不会像理想情况那样，在Vgs<Vth时，管子直接截止，没有电流从drain端流到source端， ID=0。

根据Razavi的书上来说，在Vds大于100 mV左右时，亚阈值区的ID和Vgs表现出指数关系，

mos管亚阈值区电流公式,学习笔记,cmos集成电路基础,射频工程,硬件架构,fpga开发

其中I0正比如W/L，也就是aspect ration， ξ 是非理想常数，VT=KT/q。此时跨导为

mos管亚阈值区电流公式,学习笔记,cmos集成电路基础,射频工程,硬件架构,fpga开发

这里有个两个问题：

第一个问题：在饱和区如果固定流过管子的电流ID和栅长L，只增加栅宽W，gm会一直增大吗？答案是并不会，因为要保证栅宽增大而电流不变的话，Vgs就会自动变小，管子就会进入亚阈值区。这样gm就不会一直增大。

另一个问题是：如果ID不能像理想那样直接关断，那对电路的影响是什么？亚阈值区管子的因为电流依旧存在，对于亿级别的门电路来说，整个电路的静态功耗就很大。

注意，这里的亚阈值区还可以有另一个名字：弱反型区（weak inversion）。弱反型区和强反型区(strong inversion)的区别，也就是Vgs和Vth的大小区别，Vgs小于Vth，管子工作在弱反型区，也可以说是亚阈值区。Vgs>Vth，管子工作在强反型区。反型区，包括耗尽层（depletion），这些说法主要是用在器件领域，电路设计者提的少。

MOS的导通就是在gate的控制下导致substrate产生了所谓的”反型层“，我们定义的”阈值电压“是指器件本身达到“强反型”时的gate电压，但实际上即便gate上的电压达不到阈值时，substrate表面附近也会有“反型层”存在，因此上drain和source之间仍然存在“通路“，器件也是可以导通的。

因为反型层的出现本质上是个载流子的热运动过程，这一过程是不能突变的，只能是随时间的逐渐积累，当积累到一定程度认为器件”导通”，但不能认为在达到“阈值”之间器件是完全关断的。这里要牵扯到由mos管电容模型推导出的“亚阈值摆幅”——一个专门衡量器件在亚阈值区特性的参数。

mos管亚阈值区电流公式,学习笔记,cmos集成电路基础,射频工程,硬件架构,fpga开发

上面两个公式可以发现，我们可以通过增大Vt来减小Ioff，但是在高速电路中高的Vt几乎不可用。或者通过减小 η 来减小S，例如增加Wdep （width of depletion region）。或者让管子在远低于室温的环境下工作。但是实际上无限增加Wdep和无限减小T在实际中是不可行的，这会增加单个晶体管体积和应用中的冷却系统开销。这就是关断漏电流Ioff的来源，换句话说当Vt或者Wdep不是无限大的时候, 或者当T不是无限小的时候就会有漏电流产生，亚阈值mos管就能够导通。

既然有很小的漏电流，亚阈值mos管就可以看作“导通”，就可以产生跨导gm，有gm有Rout就有gain。亚阈值管子的gm/Id 比饱和区的管子更大，所以在设计中用更小的电流产生更大的gm/Id是被设计师所喜欢的。当然亚阈值MOS也有很多缺点，例如需要在速度上，信号摆幅上做Trade-Off。

除了亚阈值区外，还有一个区叫深三极管区（deep triode region）

mos管亚阈值区电流公式,学习笔记,cmos集成电路基础,射频工程,硬件架构,fpga开发

三极管区

亚阈值区的主要辨别参数是Vgs和Vth的关系，而深三极管区是继承了三极管区（triode region)，也称线性区（linear region）和饱和区的关系，Vds和Vgs-Vth的关系而得来的。Vds<Vgs-Vth，管子工作在三极管区，但如果有Vds<<2(Vgs-Vth)，管子就工作在线性区的末端，也就是深三极管区，如上图所示。

此时三极管区的公式ID=1/2·μn·Cox·W/L[2(Vgs−Vth)·Vds−Vds^2]就变成深三极管区公式

ID=μn·Cox·W/L·[(Vgs−Vth)·Vds]

所以ID和VDS的关系就是电阻的关系，电阻值的大小受过驱动电压Vgs-Vth控制，电阻值是

Ron=1/μn·Cox·W/L(Vgs−Vth)

对比

注意深三极管区和亚阈值区的区别，管子工作在深三极管区主要是Vds小，Vgs的值还是可以满足沟道开启的，也就是Vgs>Vth。而亚阈值区是Vgs<Vth，对于Vds来说，此时Vgs-Vth都小于0了，按理说Vds只要大于0就可以了管子就可以工作了，不过还是有要求的，要在亚阈值区正常工作，Vds要大于一定值，Razavi书里是100mV。