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為什么MOS管飽和區(qū)溝道夾斷了還有電流及飽和區(qū)電流公式詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-04-29 

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為什么MOS管飽和區(qū)溝道夾斷了還有電流及飽和區(qū)電流公式詳解

隨著漏源電壓不斷增大,當(dāng)達(dá)到夾斷電壓時(shí),溝道厚度在漏極處減薄為零,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(xù)增大,溝道的夾斷點(diǎn)向源極方向運(yùn)動(dòng),那么在溝道和漏極之間就會隔著一段耗盡區(qū),當(dāng)溝道中的電子到達(dá)溝道端頭的耗盡區(qū)邊界時(shí),會立即被耗盡區(qū)內(nèi)的強(qiáng)電場掃入漏區(qū),所以會有電流的存在。由于電子在耗盡區(qū)內(nèi)的飄移速度已達(dá)到飽和速度,不再隨著電場的增大而增大,所以漏極電流達(dá)到飽和。

MOS管,電流,漏極


當(dāng)漏一源之間接上+ VDS時(shí),從源一溝道一漏組成的N型半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)橫向的電位梯度:源區(qū)為零電位,漏區(qū)為+ VIB,而溝道的電位則從源端向漏端逐漸升高。在溝道的不同位置上,溝道厚度不同,源湍最厚,漏端最薄,逐漸升高。


在溝道的不同位置上,溝道厚度不同,源端最厚,漏端最薄,當(dāng)VDS增大到柵一漏電位差VGS= VLS= VGS(rh)時(shí),漏端預(yù)夾斷。這個(gè)夾斷區(qū)成了漏一源間電流通路上電阻最大的區(qū)。V璐的任何一點(diǎn)增加都必然會集中降在這里,使預(yù)夾斷區(qū)具有很強(qiáng)的電場。


由于現(xiàn)在被夾的只是漏端的一個(gè)小區(qū)域,在預(yù)夾斷區(qū)左邊還有N溝道,這些自由電子仍可在溝道中漂移,在到達(dá)預(yù)夾斷區(qū)時(shí),就受夾斷區(qū)強(qiáng)電場的吸引,滑入漏區(qū)。所以,在漏端預(yù)夾斷后,漏一源之間仍有漏極電流ID。


為什么MOS管飽和區(qū)溝道夾斷了還有電流?

MOS管就像開關(guān)。柵極(G)決定源極(S)到漏極(D)是通還是不通。以NMOS為例,圖1中綠色代表(N型)富電子區(qū)域,黃色代表(P型)富空穴區(qū)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(qū),如圖中白色分界所示)。VT是開關(guān)的閾值,超過閾值就開,低于閾值就開不了。柵電壓越大,下面感應(yīng)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(shí)溝道寬窄是一樣的,這很好理解。

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圖1. 柵壓產(chǎn)生溝道決定MOS管源漏之間通不通


當(dāng)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(xù)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(qū)”。

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圖2.溝道寬窄受兩端電壓影響(線性區(qū))


要注意的是,這時(shí)柵極電壓絕對值并沒有降低,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(dāng)漏極電壓繼續(xù)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(xiàn)夾斷點(diǎn),是因?yàn)樵谶@個(gè)點(diǎn),柵極對電子的吸引力被漏極取代。這時(shí)候MOS管進(jìn)入“飽和區(qū)”,電流很難繼續(xù)隨電壓增大。


很多朋友理解不了既然這時(shí)候溝道夾斷了,不是應(yīng)該截止了嗎?為什么還會繼續(xù)有電流?原因是雖然理論上溝道已經(jīng)“夾斷”,但這個(gè)夾斷點(diǎn)很薄弱。為什么說它薄弱?因?yàn)閵A斷點(diǎn)后面支撐它的不是原來P型區(qū)域,而是電壓升高更吸引電子的漏極及其空間電荷區(qū)。因此電子沖入空間電荷區(qū),就相當(dāng)于幾乎沒有阻擋的“準(zhǔn)自由電子”快速被漏極收集。如圖3所示。

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圖3.溝道“夾而不斷”(飽和區(qū))


可以想象,隨著靠近漏極的溝道越來越細(xì),很多高速的電子沖過來,一部分?jǐn)D過夾斷點(diǎn)進(jìn)入空間電荷區(qū),然后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(diǎn)越后退,造成電子越難穿越,因此飽和區(qū)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(diǎn)。源漏電流電壓曲線如圖4所示。

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圖4. 電流電壓曲線


用水槍比喻就很好理解:在水管水流很急時(shí),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(xì)噴射越急,如圖5所示。因此“夾斷”這個(gè)詞容易引起誤解,實(shí)際應(yīng)該是“夾而不斷”,電流只是被限制而非截止。

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圖5. 薄片很難擋住水槍噴射


當(dāng)然,如果漏極的電壓繼續(xù)上升,它的空間電荷區(qū)持續(xù)擴(kuò)張達(dá)到源極,那么源極的電子就會不受溝道和柵壓的控制,直接經(jīng)過空間電荷區(qū)高速到達(dá)漏極,這就是源漏直接穿通了,這時(shí)MOS管的開關(guān)功能也就作廢了。


mos管飽和區(qū)電流公式及其詳解

mos管飽和區(qū)電流公式,在強(qiáng)反型狀態(tài)下飽和區(qū)中的工作。小信號參數(shù)的值因MOS晶體管的工作區(qū)域而變化。假定MOS晶體管處于VGS比閾值電壓VT高得多的強(qiáng)反型狀態(tài),而且工作在飽和區(qū),求這種狀況下的小信號參數(shù)。

可將跨導(dǎo)gm表示如下:

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在能夠疏忽溝道長度調(diào)制效應(yīng)的狀況下,得到

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這個(gè)跨導(dǎo)gm能夠用漏極電流ID表示為

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也能夠用漏極電流ID和柵極-源極間電壓VGS表示為

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體跨導(dǎo)gmb能夠由下式求得:

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由式(1.18)和式(1.20),能夠分別導(dǎo)出

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所以得到

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應(yīng)用式(1.18),能夠?qū)⒙O電導(dǎo)表示為

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應(yīng)用這些小信號參數(shù),能夠?qū)⑿⌒盘柭O電流id表示為下式:

MOS管,電流,漏極


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