【集成電路】Vdsat、Vov、Vds的關(guān)系-KIA MOS管

Vov：過驅(qū)動電壓overdrive voltage，Vov=Vgs-Vth，過驅(qū)動電壓也用Vod表示

Vdsat:飽和漏源電壓或夾斷時漏源電壓（剛出現(xiàn)夾斷）saturation drain voltage

在長溝道下，vdsat=vgs-vth=vov，在短溝道下，由于二階效應(yīng)，vdsat小于vgs-vth，但這個值，spice也好，spectre也好，都是用來判斷管子工作區(qū)間的。

vds>vdsat管子工作在飽和區(qū)

vds<vdsat管子工作在線性區(qū)

Vov=Vgs-Vth,用MOS的Level 1 Model時，不考慮短溝道效用，Vdsat=Vov=Vgs-Vth,當(dāng)Vds>Vdsat時，MOS的溝道就出現(xiàn)Pich-off現(xiàn)象，這時候電流開始飽和。（長溝道器件）

但是考慮到短溝道效應(yīng)的模型里，溝道里的多子因為速度飽和效應(yīng)（Velocity saturation），Vds不需要到達(dá)Vov，只要到達(dá)Vdsat，Ids就會飽和，不會再上升。

但是此時在物理上，溝道并未達(dá)到Pinch- off，直到Vds=Vov，溝道的Pinch-off現(xiàn)象才會出現(xiàn)。也就是說在短溝道模型中，器件在溝道Pinch-off之前就會達(dá)到速度飽和，電流 不會再增加（短溝道器件）

小結(jié)： Vds-Vdsat要留一定余量，一般200mv，差分輸入對一般為100多mv，一般來說vdsat<50mV管子基本就工作在線性區(qū)；一是怕管子由于工藝進(jìn)入線性區(qū)；二是飽和區(qū)邊緣rds較小。

以下是晶體管工作在速度飽和區(qū)的簡單推導(dǎo)過程：

Cox是單位面積的柵氧化層電容。

μ是遷移率。在半導(dǎo)體材料中，載流子處于無規(guī)則的熱運動狀態(tài)，在外加電壓時，載流子受到電場力的作用而定向移動，形成漂移電流。定向移動的速度也稱漂移速度，電流方向由載流子類型決定。載流子的平均漂移速度v與電場強(qiáng)度E成正比，比率就是遷移率μ，其關(guān)系式為：

公式1.1

以NMOS為例，晶體管工作在飽和區(qū)，其溝道的電場強(qiáng)度E可以表示為：

公式1.2

電流的其中一種定義是單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的總電荷數(shù)（載流子數(shù)目），即沿著電流方向電荷密度和速度的乘積。工作在飽和區(qū)的NMOS管，其平均電荷密度可以表示為：

公式1.3

那么根據(jù)電流的定義就可以得到與過驅(qū)動電壓Vgs-Vth成平方律關(guān)系的經(jīng)典電流公式，有：

公式1.4

在公式1.4中L為溝道實際長度，而在公式1.2中Leff為有效溝道長度，二者差異是因為這幾個公式都不是經(jīng)過嚴(yán)格地推導(dǎo)，存在一些近似，但不妨礙原理上的理解。

公式1.4是在晶體管的溝道電場強(qiáng)度E比較低時成立。當(dāng)晶體管溝道的電場強(qiáng)度很高時其載流子的漂移速度不再與其電場強(qiáng)度成正比，而趨向于一個恒定值vsat，那么公式1.4改寫為：

公式1.5

這時候，稱晶體管工作在速度飽和區(qū)。對于電子，臨界電場在1-5V/um之間。根據(jù)公式1.3，晶體管的溝道電場與過驅(qū)動電壓Vgs-Vth和有效溝道長度直接相關(guān)，晶體管的過驅(qū)動電壓Vgs-Vth越大，溝道長度越短（短溝道器件），晶體管越可能工作在速度飽和區(qū)。若將晶體管接成二極管形式，并對其Vgs從小到大進(jìn)行掃描，管子將依次工作在截止區(qū)、弱反型區(qū)、強(qiáng)反型區(qū)、速度飽和區(qū)。

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