MOS管夾斷與溝道長(zhǎng)度調(diào)制
實(shí)踐工作中,晶體管的溝道長(zhǎng)度對(duì)特性式有一定的影響,這叫做溝道長(zhǎng)度調(diào)制。
1.MOS晶體管在非飽和區(qū)的行為
下面以NMOS晶體管為例,討論MOS晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的溝道厚度。圖1.25中,假如源極、漏極的電位都是OV,則VGS=VGD。這時(shí),假如VGS>VT,那么,如圖1. 25 (b)所示,在源區(qū)與漏區(qū)之間會(huì)構(gòu)成厚度平均的溝道。
假如堅(jiān)持VGS>VT的狀態(tài),從OV開端增加漏極的電壓,由于柵極-漏極間電壓表示為VGD=VGS-VDS,所以當(dāng)VDS
VGD>VGS-(VGS-VT)
∴VGD>VT
就是說,加在柵極—漏極間的是大于閾值電壓VT的電壓。
所以當(dāng)MOS晶體管工作在非飽和區(qū)時(shí),柵極-源極間電壓VGS也好,柵極-漏極間電壓VGD也好,都比閾值電壓VT高,所以構(gòu)成了從源區(qū)到漏區(qū)的溝道。但是,由于VGD=VGS-VDS,所以VGD比VGS小。那么在漏區(qū)左近硅外表感應(yīng)的電子數(shù)目要比源區(qū)左近感應(yīng)的電子數(shù)目少。其結(jié)果,如圖1. 26所示,漏極左近的溝道厚度就比源區(qū)左近溝道的厚度薄。
2.非飽和區(qū)與飽和區(qū)的分界
假如繼續(xù)增加漏極-源極間電壓VDS,以致于VDS=VGS-VT,這時(shí)的工作區(qū)域相當(dāng)于非飽和區(qū)與飽和區(qū)的分界處。由于柵極—漏極間電壓VGD=VGS-VDS=VT,所以柵極-漏極間電壓就與閾值電壓VT相等。就是說,如圖1. 27所示,漏區(qū)左近的溝道簡(jiǎn)直消逝了,把溝道消逝的狀態(tài)稱為夾斷。
繼續(xù)再增大漏極—源極間電壓,就變成VDS>VGS-VT,NMOS晶體管就工作在飽和區(qū)了。這時(shí),柵極—漏極間電壓VGD=VGS-VDS
3.夾斷時(shí)漏極電流是一定值
如圖1.29所示,設(shè)溝道端與漏區(qū)端之間耗盡層的長(zhǎng)度為△L,那么漏極電流可表示為
假如增大漏極—源極間電壓VDS,由于加在耗盡層上的電壓增加了,所以耗盡層長(zhǎng)度△L也增加。不過在L比△L大很多的狀況下,式(1.12)中的△L能夠疏忽不計(jì),于是就得到
這時(shí)漏極電流ID與漏極—源極間電壓VDS無關(guān),是根本不變的值,關(guān)于這個(gè)問題可作如下了解。
由于夾斷點(diǎn)的電位總是VGS-VT,所以飽和區(qū)溝道的橫向電場(chǎng)E為:
VDS的增加也使耗盡層長(zhǎng)度△L延伸。假如溝道長(zhǎng)度L比△L大很多,AL能夠忽略不計(jì)時(shí),橫向電場(chǎng)F的大小就是:這時(shí)就與VDS無關(guān)。其結(jié)果,即便VDS增加,飽和區(qū)中的漏極電流ID也是一定的值。
在非飽和區(qū)中不產(chǎn)生夾斷點(diǎn)。由于從源區(qū)到漏區(qū)都構(gòu)成溝道,所以漏極—源極間電壓VDS是加在溝道長(zhǎng)度L上的。因而溝道中的橫向電場(chǎng)E與VDS成比例地增加:
所以漏極電流ID的增加與VDS成比例。
4.溝道長(zhǎng)度變短時(shí)△L不可無視—一溝道長(zhǎng)度調(diào)制
假如MOS晶體管的溝道長(zhǎng)度L變短,那么式(1.12)中的△L就不可疏忽。隨著VDS的增加,△L也增加,使有效溝道長(zhǎng)度(L-△L)變短,因而如圖1. 30所示,漏極電流增加,這叫做溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。
思索到溝道長(zhǎng)度調(diào)制,飽和區(qū)的漏極電流由下式給出:
△L與VDS的關(guān)系親密,假如令式(1.17)中的△L/L=λVDS,就得到該式中的λ叫做溝道長(zhǎng)度調(diào)制參數(shù),λ越大,表示溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)越強(qiáng)。
為了抑止溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng),有效的方法是增大MOS晶體管的溝道長(zhǎng)度L,使λ變小。
式(1.18)中,假如令VDS=-1/λ,則ID=0。