MOS晶體管亞閾狀態(tài)
晶體管亞閾狀態(tài)是MOSFET的一種重要工作狀態(tài)（工作模式），又稱(chēng)為MOSFET的亞閾值區(qū)（Subthreshold region）。
這是MOSFET的柵極電壓Vgs處在閾值電壓VT以下、又沒(méi)有出現(xiàn)導(dǎo)電溝道的一種工作狀態(tài)，即是Vgs≤VT 、表面勢(shì)ψs ≈ 費(fèi)米勢(shì)ψb（即表面為弱反型)的狀態(tài)。這時(shí)還是有一股較小的電流通過(guò)器件，該電流即稱(chēng)為亞閾電流。
亞閾電流雖然較小，但是它卻能很好地夠受到柵極電壓的控制，所以亞閾狀態(tài)的MOSFET在低電壓、低功耗應(yīng)用時(shí)很有利，特別是在邏輯開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)器等的大規(guī)模集成電路應(yīng)用中非常受到人們的重視。
電流產(chǎn)生機(jī)理
MOSFET在沒(méi)有出現(xiàn)表面溝道的情況下，它的“源區(qū)(n+)-襯底(p)-漏區(qū)(n+)”即自然地構(gòu)成了一個(gè)n+-p-n+雙極型晶體管（基區(qū)寬度為溝道長(zhǎng)度）；而柵-源電壓的作用，使得半導(dǎo)體表面發(fā)生弱反型（產(chǎn)生表面勢(shì)ψs），即導(dǎo)致襯底表面附近處的電子能量降低；而源-漏電壓又在p型區(qū)表面附近處產(chǎn)生電子的漂移電場(chǎng)，即導(dǎo)致源-漏之間的能帶傾斜。
亞閾電流就是由源區(qū)注入到襯底表面的少數(shù)載流子、并擴(kuò)散到漏區(qū)所形成的電流，本質(zhì)上是少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流（在半導(dǎo)體襯底表面附近處的擴(kuò)散電流）。當(dāng)然，由于對(duì)應(yīng)的n+-p-n+雙極晶體管的基區(qū)寬度很大，所以通過(guò)的亞閾電流也必然較小，而且電流放大系數(shù)也必然很低。
MOS晶體管亞閾狀態(tài)特性
因?yàn)?psi;s = Vgs–VT , 則MOSFET的亞閾電流為Idsub∝ exp(qψs/kT) ∝ exp(q [Vgs–VT] /kT) ，即輸出的亞閾電流隨著輸入柵-源電壓Vgs作指數(shù)式增大；并且在Vds>3kT/q時(shí), 亞閾電流與Vds的關(guān)系不大。但在Vgs>VT (即ψs > 2ψfb，即出現(xiàn)溝道) 時(shí),則輸出源-漏電流與Vgs之間有線(xiàn)性或平方的關(guān)系，這屬于正常的MOSFET傳導(dǎo)的電流。
MOSFET的這種亞閾工作狀態(tài)與其飽和工作狀態(tài)相比，具有低電壓和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，在邏輯應(yīng)用中有很大的價(jià)值。所以，在超大規(guī)模集成電路中，雖然采用的基本器件是MOSFET，但是其工作的物理基礎(chǔ)卻是雙極型晶體管原理。
亞閾狀態(tài)的性能指標(biāo)——亞閾值斜率（柵壓擺幅）：
由于MOSFET的亞閾電流IDsub隨著VGS的增大而指數(shù)式增加，為了表征這種柵-源電壓對(duì)于亞閾電流的影響狀況（即亞閾特性的好壞），就引入一個(gè)所謂亞閾值斜率（柵極電壓擺幅）S的參量。S定義為：S=dVgs/d(lgIdsub)。S即表示亞閾電流Idsub減小10倍所需要的柵-源電壓（單位是[mV/dec]）。
顯然，S的值愈小，器件的開(kāi)關(guān)（即在導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)之間的轉(zhuǎn)換）速度就愈快。因此S值的大小反映了MOSFET在亞閾區(qū)的開(kāi)關(guān)性能。在理想情況下，可求得S=59.6 mV/dec，這就表明，當(dāng)柵-源電壓改變大約60mV時(shí)就會(huì)使亞閾電流發(fā)生很大的變化。
因?yàn)镸OSFET的亞閾電流是少數(shù)載流子擴(kuò)散電流，所以亞閾電流與Vgs的關(guān)系、即S的大小，將與影響少數(shù)載流子注入效率及其運(yùn)動(dòng)的因素、以及影響柵極控制能力的因素有關(guān)。
這些因素主要有襯底摻雜濃度、半導(dǎo)體表面電容、表面態(tài)密度和溫度。降低襯底摻雜濃度和減小半導(dǎo)體表面態(tài)密度，減小耗盡層電容和增大氧化層電容，以及降低溫度，都可以減小S值。
從而，為了提高M(jìn)OSFET的亞閾區(qū)工作速度，就應(yīng)當(dāng)盡量減小MOS柵極系統(tǒng)中的界面態(tài)和降低襯底摻雜濃度，并且在MOSFET工作時(shí)應(yīng)當(dāng)加上一定的襯偏電壓（以減小耗盡層電容）和保持器件的溫度升高不要太大。
1.亞閾值條件下ID與VGS的關(guān)系？
在MOS的I-V特性中，當(dāng)VGS略小于VT時(shí)， MOS管已開(kāi)始導(dǎo)通，仍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)弱反型層，從而會(huì)產(chǎn)生由漏流向源的電流，稱(chēng)為亞閾值導(dǎo)通，而且ID與VGS呈指數(shù)關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式為：
下圖反映了NMOS與PMOS器件的柵源電壓VGS從0V到1.0V的掃描變化對(duì)漏極電流ID的關(guān)系特性曲線(xiàn)：
MOS,亞閾狀態(tài)
從圖中我們可以看出，當(dāng)0<VGS<0.52V時(shí)，MOS管處于亞閾值區(qū)，隨著VGS的增加，ID成指數(shù)規(guī)律上升；當(dāng)0.52V <VGS<0.66V時(shí)，MOS管內(nèi)部載流子達(dá)到速度飽和，處于飽和區(qū)：當(dāng)VGS>0.66V時(shí),MOS管處于線(xiàn)性區(qū)，之后進(jìn)入強(qiáng)反型區(qū)。
亞閾值區(qū)電流的流動(dòng)機(jī)制是由少數(shù)載流子的擴(kuò)散引起的，這種擴(kuò)散發(fā)生在柵極電壓比VT小幾個(gè)熱電壓的時(shí)候。在亞閾值區(qū)，MOS管像是個(gè)BJT，襯底為基極，漏源分別是發(fā)射極和集電極。因此，電流模型可以通過(guò)利用一個(gè)基于雙極模型的公式推導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電流公式為：
由上式可知：在亞閾值區(qū)中，希望降低VGS時(shí)電流也會(huì)顯著降低。
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