MOS晶體管的靜態(tài)特性(一)

目前MOSFET仍是數(shù)字集成電路廣泛使用的器件，根據(jù)MOS管的靜態(tài)模型，以NMOS為例，分析其電流電壓特性。 器件部分涉及到很多半導(dǎo)體物理、器件物理相關(guān)知識(shí)，暫不深入探究，MOS管的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

<閾值電壓>

MOS管強(qiáng)反型發(fā)生時(shí)VGS的值稱為閾值電壓VT。

強(qiáng)反型的發(fā)生：假設(shè)源、漏均接地，當(dāng)柵電壓開始為正時(shí)，與SiO2接觸的硅表面多子（空穴）減少； 當(dāng)柵電壓升高，空間電荷區(qū)（也稱耗盡層）開始出現(xiàn)； 柵電壓繼續(xù)升高到硅表面的電勢(shì)達(dá)到臨界值，出現(xiàn)強(qiáng)反型，發(fā)生的電壓等于兩倍的費(fèi)米電勢(shì)。

不同偏置條件下的閾值電壓：

參數(shù)γ稱為體效應(yīng)（襯偏效應(yīng)）系數(shù)，表明V某人的影響。 說(shuō)明一點(diǎn)，源、漏極取決于兩邊電壓的高低，在反型后多子流出的稱為源極（Source），流入的稱為漏極（Drain）。

<電阻工作區(qū)>

假設(shè)V 一般事務(wù)人員 >V T ，在漏區(qū)和源區(qū)之間加上一個(gè)小電壓V DS 。

在溝道的x處，電壓為V(x)，柵至溝道的電壓為V 一般事務(wù)人員 -V(x)。 處于電阻工作區(qū)，電壓在整個(gè)溝道超過(guò)了閾值電壓，x點(diǎn)所感應(yīng)出單位面積溝道電荷：

Qi（x） = –Cox [VGS – V（x） – VT]

式中，C牛為柵氧的單位面積電容。

電流是載流子的漂移速度un與存在電荷的乘積：

ID = –a（x）Qi（x）W

式中，W是垂直于電流方向的溝道寬度。 電子通過(guò)的速度與遷移率的參數(shù)mn和電場(chǎng)相關(guān)。

所以，聯(lián)合上面兩式，可以得出：

IDdx = unCoxW（VGS–V – VT）dV

MOS晶體管的輸出電流－電壓特性的經(jīng)典薩氏方程：

kn'稱為工藝跨導(dǎo)參數(shù)，為：

當(dāng)VDS值的值較小時(shí)，平方項(xiàng)可忽略，VDS和ID之間呈線性關(guān)系。

<飽和區(qū)>

漏源電壓進(jìn)一步提高時(shí)，溝道全長(zhǎng)中的部分電壓可能出現(xiàn)小于閾值電壓的情況：

此時(shí)導(dǎo)電溝道開始出現(xiàn)夾斷的現(xiàn)象，晶體管處于飽和區(qū)。 此時(shí)溝道上的夾斷點(diǎn)到源的電壓差固定為VGS-VT，電流保持穩(wěn)定值（飽和），漏電流與控制電壓VGS之間存在平方關(guān)系：

溝道長(zhǎng)度調(diào)制：在飽和模式下，增加VDS將使漏結(jié)的耗盡區(qū)加大，縮短了有效溝道的長(zhǎng)度。

λ稱為溝長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)，一般與溝長(zhǎng)成反比。