NMOS晶體管線(xiàn)性區(qū)漏源電流詳解

導(dǎo)讀

之前的文章對(duì)MOS電容器進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，因此對(duì)MOS晶體管的理解已經(jīng)打下了一定的基礎(chǔ)，本文將對(duì)深入介紹NMOS晶體管的結(jié)構(gòu)及工作原理，最后再?gòu)臋C(jī)理上對(duì)漏源電流的表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)說(shuō)明。

在P型硅MOS電容器中增加兩個(gè)重?fù)诫s的N型擴(kuò)散區(qū)，就形成了MOSFET，這兩個(gè)N型區(qū)分別為源區(qū)和漏區(qū)，且與柵的邊緣對(duì)準(zhǔn)。源區(qū)和漏區(qū)分別和襯底形成PN結(jié)，如圖1所示，L是溝道長(zhǎng)度，W是溝道寬度。

圖1 （a）NMOS晶體管結(jié)構(gòu)圖 ?（b）四端MOSFET電路符號(hào)

當(dāng)柵源電壓小于閾值電壓VTH時(shí)，由于MOS電容器的特性，P型襯底與氧化物交界面只有耗盡區(qū)，沒(méi)有可參與導(dǎo)電的自由電子，并且源漏之間存在背靠背的PN結(jié)，因此存在很小的漏電流。當(dāng)極源電壓增大到閾值電壓VTH以上時(shí)，P型襯底與氧化物交界面形成N型反型層，使得源區(qū)和漏區(qū)相連，形成導(dǎo)電溝道，如圖2所示。

圖2 NMOS晶體管導(dǎo)電溝道

穩(wěn)態(tài)下，iG和iB都為零，因此流入漏極的電流等于流出源極的電流，即iS=iD?

為了推導(dǎo)出漏極電流的表過(guò)式，需要考慮導(dǎo)電溝道中電荷的傳輸過(guò)程，在溝道中任意位置，單位長(zhǎng)度的電子電荷等于

C/cm??? （1）

式中C’’ox為單位面積的氧化電容（F/cm2）；且該式只適用于Vox-VTH > 0的場(chǎng)合，VTH是柵極的閾值電壓；Vox是氧化層上的電壓；

由于漏源電壓為VDS，且源極接地，故漏極電壓即為VDS，因此溝道中沿溝道方向存在電壓梯度，假設(shè)溝道與源區(qū)N型擴(kuò)散區(qū)的交界點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則溝道與漏區(qū)N型擴(kuò)散區(qū)的交界點(diǎn)為坐標(biāo)L，如圖3所示，那么溝道中任意點(diǎn)x處的電壓為V(x)，且有V(0)=0V，V(L)=VDS，因此氧化層上的電壓也隨位置的變化而變化

（2）

因此在源端Vox=VGS，在漏端Vox=VGS-VDS。

圖3 NMOS晶體管i-v特性電路模型

溝道中，任意位置的電子漂移電流等于單位長(zhǎng)度的電荷與電子運(yùn)動(dòng)速度vn的乘積

（3）

而電子運(yùn)動(dòng)速度vn為

（4）

式中μn為電子遷移率，將式（1）、（2）、（4）可得

（5）

由于溝道中任意位置的電流均相等，且等于漏極電流iD?，則有

（6）

將dx項(xiàng)移至左邊，且對(duì)x在0?- L之間積分，可得

（7）

（8）

式（8）中，Kn’=μnC’’ox，且只與NMOS的生產(chǎn)工藝有關(guān)。該式即為NMOS晶體管工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)的漏源電流表達(dá)式。

需要注意的有：

1）式（8）只適用于Vox-VTH > 0的場(chǎng)合，即 VGS- VDS >VTH的場(chǎng)合；

2）Kn’并不為常數(shù)，而是隨著VGS的增大而減??；