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爲什麽MOS管飽和區溝道夾斷了還有電流及飽和區電流公式詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-04-29 

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爲什麽MOS管飽和區溝道夾斷了還有電流及飽和區電流公式詳解

隨著漏源電壓不斷增大,當達到夾斷電壓時,溝道厚度在漏極處減薄爲零,溝道在漏極處消失,該處只剩下耗盡層,這是所謂的夾斷;漏源電壓繼續增大,溝道的夾斷點向源極方向運動,那麽在溝道和漏極之間就會隔著一段耗盡區,當溝道中的電子到達溝道端頭的耗盡區邊界時,會立即被耗盡區內的強電場掃入漏區,所以會有電流的存在。由于電子在耗盡區內的飄移速度已達到飽和速度,不再隨著電場的增大而增大,所以漏極電流達到飽和。

MOS管,电流,漏极


当漏一源之间接上+ VDS时,从源一沟道一漏组成的N型半导体区域内产生了一个横向的电位梯度:源区为零电位,漏区为+ VIB,而沟道的电位则从源端向漏端逐渐升高。在沟道的不同位置上,沟道厚度不同,源湍最厚,漏端最薄,逐渐升高。


在沟道的不同位置上,沟道厚度不同,源端最厚,漏端最薄,当VDS增大到栅一漏电位差VGS= VLS= VGS(rh)时,漏端预夹断。这个夹断区成了漏一源间电流通路上电阻最大的区。V璐的任何一点增加都必然会集中降在这里,使预夹断区具有很强的电场。


由于現在被夾的只是漏端的一個小區域,在預夾斷區左邊還有N溝道,這些自由電子仍可在溝道中漂移,在到達預夾斷區時,就受夾斷區強電場的吸引,滑入漏區。所以,在漏端預夾斷後,漏一源之間仍有漏極電流ID。


爲什麽MOS管飽和區溝道夾斷了還有電流?

MOS管就像開關。柵極(G)決定源極(S)到漏極(D)是通還是不通。以NMOS爲例,圖1中綠色代表(N型)富電子區域,黃色代表(P型)富空穴區域。P型和N型交界處會有一層耗盡層分隔(也叫空間電荷區,如圖中白色分界所示)。VT是開關的阈值,超過阈值就開,低于阈值就開不了。柵電壓越大,下面感應出來的電子越多,形成的溝道越寬。柵與溝道之間有氧化層隔離。在源漏沒有電壓時溝道寬窄是一樣的,這很好理解。

MOS管,电流,漏极

图1. 栅压产生沟道决定MOS管源漏之间通不通


當漏極電壓升高,柵極靠近漏極的相對電壓就小,因此溝道受其影響寬窄不同。由于電流是連續的,所以窄的地方電流密度大,這也好理解,如圖2所示。這是源漏電流IDS是隨其電壓VDS增大而線性增大的“線性區”。

MOS管,电流,漏极

圖2.溝道寬窄受兩端電壓影響(線性區)


要注意的是,這時柵極電壓絕對值並沒有降低,靠近漏極溝道變窄的原因,是柵極的影響力部分被漏極抵消了。一部分本來可以柵吸引形成溝道的電子,就被漏極正電壓拉過去了。


當漏極電壓繼續升高,如果超過柵電壓,造成溝道右邊不滿足開通條件而“夾斷”。之所以出現夾斷點,是因爲在這個點,柵極對電子的吸引力被漏極取代。這時候MOS管進入“飽和區”,電流很難繼續隨電壓增大。


很多朋友理解不了既然這時候溝道夾斷了,不是應該截止了嗎?爲什麽還會繼續有電流?原因是雖然理論上溝道已經“夾斷”,但這個夾斷點很薄弱。爲什麽說它薄弱?因爲夾斷點後面支撐它的不是原來P型區域,而是電壓升高更吸引電子的漏極及其空間電荷區。因此電子沖入空間電荷區,就相當于幾乎沒有阻擋的“准自由電子”快速被漏極收集。如圖3所示。

MOS管,电流,漏极

圖3.溝道“夾而不斷”(飽和區)


可以想象,隨著靠近漏極的溝道越來越細,很多高速的電子沖過來,一部分擠過夾斷點進入空間電荷區,然後被漏極正電場高速收集(形成示意圖中紫色電流)。漏極電壓越高,夾斷點越後退,造成電子越難穿越,因此飽和區電流不再隨電壓增大而線性增大,畢竟不是所有電子都能沖過夾斷點。源漏電流電壓曲線如圖4所示。

MOS管,电流,漏极

图4. 电流电压曲线


用水槍比喻就很好理解:在水管水流很急時,試圖用薄片擋住是很難的,水流會呲過阻擋形成噴射,噴口越細噴射越急,如圖5所示。因此“夾斷”這個詞容易引起誤解,實際應該是“夾而不斷”,電流只是被限制而非截止。

MOS管,电流,漏极

图5. 薄片很难挡住水枪喷射


當然,如果漏極的電壓繼續上升,它的空間電荷區持續擴張達到源極,那麽源極的電子就會不受溝道和柵壓的控制,直接經過空間電荷區高速到達漏極,這就是源漏直接穿通了,這時MOS管的開關功能也就作廢了。


mos管飽和區電流公式及其詳解

mos管飽和區電流公式,在強反型狀態下飽和區中的工作。小信號參數的值因MOS晶體管的工作區域而變化。假定MOS晶體管處于VGS比阈值電壓VT高得多的強反型狀態,而且工作在飽和區,求這種狀況下的小信號參數。

可將跨導gm表示如下:

MOS管,电流,漏极

在能夠疏忽溝道長度調制效應的狀況下,得到

MOS管,电流,漏极

這個跨導gm能夠用漏極電流ID表示爲

MOS管,电流,漏极

也能夠用漏極電流ID和柵極-源極間電壓VGS表示爲

MOS管,电流,漏极

體跨導gmb能夠由下式求得:

MOS管,电流,漏极

由式(1.18)和式(1.20),能夠分別導出

MOS管,电流,漏极

所以得到

MOS管,电流,漏极

應用式(1.18),能夠將漏極電導表示爲

MOS管,电流,漏极

應用這些小信號參數,能夠將小信號漏極電流id表示爲下式:

MOS管,电流,漏极


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