为什么MOS管饱和区沟道夹断了还有电流及饱和区电流公式详解

随着漏(lou)源电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压不(bu)(bu)断增(zeng)大(da)(da)，当(dang)达(da)到夹断电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压时，沟(gou)(gou)道(dao)厚度在(zai)漏(lou)极(ji)处(chu)(chu)减薄为零(ling)，沟(gou)(gou)道(dao)在(zai)漏(lou)极(ji)处(chu)(chu)消失，该(gai)处(chu)(chu)只剩(sheng)下(xia)耗尽层，这是(shi)所(suo)(suo)谓的(de)(de)(de)夹断；漏(lou)源电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压继续增(zeng)大(da)(da)，沟(gou)(gou)道(dao)的(de)(de)(de)夹断点向源极(ji)方向运(yun)动，那么在(zai)沟(gou)(gou)道(dao)和漏(lou)极(ji)之间就(jiu)会隔着一段耗尽区(qu)(qu)，当(dang)沟(gou)(gou)道(dao)中的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)到达(da)沟(gou)(gou)道(dao)端(duan)头的(de)(de)(de)耗尽区(qu)(qu)边界时，会立即被耗尽区(qu)(qu)内的(de)(de)(de)强(qiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)扫入漏(lou)区(qu)(qu)，所(suo)(suo)以会有电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)存在(zai)。由于电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)在(zai)耗尽区(qu)(qu)内的(de)(de)(de)飘移速度已达(da)到饱和速度，不(bu)(bu)再(zai)随着电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)增(zeng)大(da)(da)，所(suo)(suo)以漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)达(da)到饱和。

MOS管,电流,漏极

当漏一(yi)源之间接(jie)上+ VDS时，从源一(yi)沟道一(yi)漏组成的(de)N型半导体(ti)区(qu)(qu)域内产生了一(yi)个横向(xiang)(xiang)的(de)电(dian)位(wei)梯度(du)：源区(qu)(qu)为零电(dian)位(wei)，漏区(qu)(qu)为+ VIB，而沟道的(de)电(dian)位(wei)则从源端向(xiang)(xiang)漏端逐(zhu)渐升高(gao)。在沟道的(de)不同(tong)位(wei)置上，沟道厚度(du)不同(tong)，源湍(tuan)最(zui)厚，漏端最(zui)薄，逐(zhu)渐升高(gao)。

在沟道(dao)的不同位置上(shang)，沟道(dao)厚度不同，源端(duan)最厚，漏(lou)(lou)端(duan)最薄，当VDS增大到栅一(yi)漏(lou)(lou)电位差VGS= VLS= VGS（rh）时，漏(lou)(lou)端(duan)预夹断。这个夹断区(qu)成了漏(lou)(lou)一(yi)源间电流(liu)通路(lu)上(shang)电阻最大的区(qu)。V璐的任(ren)何一(yi)点增加(jia)都必然(ran)会集中降在这里，使预夹断区(qu)具有很(hen)强的电场。

由(you)于(yu)现(xian)在(zai)被夹(jia)(jia)的只是漏端的一个小区(qu)(qu)(qu)域，在(zai)预夹(jia)(jia)断(duan)(duan)区(qu)(qu)(qu)左边还有N沟道，这些(xie)自由(you)电子仍(reng)可在(zai)沟道中漂(piao)移(yi)，在(zai)到达(da)预夹(jia)(jia)断(duan)(duan)区(qu)(qu)(qu)时(shi)，就受夹(jia)(jia)断(duan)(duan)区(qu)(qu)(qu)强(qiang)电场的吸引，滑入漏区(qu)(qu)(qu)。所以，在(zai)漏端预夹(jia)(jia)断(duan)(duan)后，漏一源(yuan)之间(jian)仍(reng)有漏极电流ID。

为什么MOS管饱和区沟道夹断了还有电流？

MOS管就像开(kai)关。栅(zha)(zha)极(ji)（G）决定源(yuan)极(ji)（S）到(dao)漏极(ji)（D）是(shi)通还是(shi)不通。以NMOS为例，图(tu)1中绿(lv)色代表（N型）富(fu)电子(zi)(zi)区(qu)(qu)(qu)域(yu)，黄色代表（P型）富(fu)空(kong)穴区(qu)(qu)(qu)域(yu)。P型和N型交(jiao)界(jie)处会有一层(ceng)耗尽层(ceng)分隔（也叫(jiao)空(kong)间电荷区(qu)(qu)(qu)，如(ru)图(tu)中白色分界(jie)所示(shi)）。VT是(shi)开(kai)关的(de)(de)阈值(zhi)，超过阈值(zhi)就开(kai)，低于阈值(zhi)就开(kai)不了。栅(zha)(zha)电压(ya)越大，下面感应出来(lai)的(de)(de)电子(zi)(zi)越多，形成的(de)(de)沟道越宽。栅(zha)(zha)与沟道之间有氧化层(ceng)隔离。在源(yuan)漏没有电压(ya)时沟道宽窄(zhai)是(shi)一样(yang)的(de)(de)，这很(hen)好理(li)解。

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图(tu)1. 栅压产(chan)生沟道决定MOS管源漏之(zhi)间通不通

当漏极电(dian)压升高，栅极靠近漏极的相对电(dian)压就小，因此沟(gou)道受(shou)其影响宽窄不同(tong)。由于(yu)电(dian)流是(shi)连续(xu)的，所(suo)以窄的地方电(dian)流密度大，这也好理(li)解，如图2所(suo)示。这是(shi)源漏电(dian)流IDS是(shi)随其电(dian)压VDS增大而线(xian)性增大的“线(xian)性区(qu)”。

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图2.沟道(dao)宽(kuan)窄受两(liang)端电压影(ying)响（线性区(qu)）

要注意的(de)是，这时栅极电压(ya)绝对(dui)值(zhi)并没有降低，靠近漏(lou)极沟(gou)道变窄的(de)原因(yin)，是栅极的(de)影响力部分(fen)(fen)被(bei)漏(lou)极抵消了。一部分(fen)(fen)本来(lai)可以栅吸引形(xing)成沟(gou)道的(de)电子，就被(bei)漏(lou)极正电压(ya)拉过去了。

当漏极电(dian)压(ya)继(ji)续(xu)升高，如果超过(guo)栅电(dian)压(ya)，造成沟道右边(bian)不满足开通(tong)条件而“夹(jia)(jia)断”。之所以出现夹(jia)(jia)断点(dian)(dian)，是因为在这(zhei)个点(dian)(dian)，栅极对电(dian)子的吸引力被漏极取(qu)代。这(zhei)时候MOS管进(jin)入“饱(bao)和区(qu)”，电(dian)流很(hen)难继(ji)续(xu)随电(dian)压(ya)增大(da)。

很多(duo)朋友理解不了既然这时候沟道夹(jia)断(duan)了，不是(shi)应该截止了吗？为什么还会继(ji)续(xu)有电(dian)流？原因是(shi)虽(sui)然理论(lun)上沟道已经(jing)“夹断”，但这个夹断点很薄弱。为什(shen)么说它薄弱？因为夹断点后面支撑它的不是(shi)原来P型区域，而是(shi)电压升高更(geng)吸引(yin)电子的漏(lou)极(ji)及其空(kong)间电荷(he)(he)区。因此电子冲入空(kong)间电荷(he)(he)区，就相(xiang)当于几乎没有阻挡的“准自由(you)电子”快(kuai)速被漏(lou)极(ji)收集。如图3所示。

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图3.沟道(dao)“夹而不断”（饱(bao)和区）

可以想象，随(sui)着靠近漏极(ji)的(de)沟道(dao)越(yue)(yue)(yue)来越(yue)(yue)(yue)细(xi)，很多高速的(de)电子冲(chong)过(guo)(guo)来，一(yi)部(bu)分挤过(guo)(guo)夹断(duan)点进入空间电荷(he)区(qu)，然后被(bei)漏极(ji)正(zheng)电场高速收集（形(xing)成示意图中紫色电流）。漏极(ji)电压越(yue)(yue)(yue)高，夹断(duan)点越(yue)(yue)(yue)后退，造(zao)成电子越(yue)(yue)(yue)难穿越(yue)(yue)(yue)，因此饱和区(qu)电流不再随(sui)电压增(zeng)大(da)而线性增(zeng)大(da)，毕竟不是(shi)所(suo)有电子都(dou)能冲(chong)过(guo)(guo)夹断(duan)点。源漏电流电压曲线如图4所(suo)示。

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图4. 电(dian)流电(dian)压曲线

用(yong)水(shui)枪比(bi)喻就很(hen)(hen)好理解：在水(shui)管水(shui)流很(hen)(hen)急时，试图用(yong)薄片挡住是很(hen)(hen)难的(de)，水(shui)流会呲过阻(zu)挡形成喷射(she)，喷口越细喷射(she)越急，如图5所示。因此“夹断(duan)”这个词容易引起(qi)误解，实际应该是“夹而(er)不断(duan)”，电流只是被限制而(er)非截(jie)止。

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图5. 薄片很难(nan)挡住水枪喷射(she)

当然，如果(guo)漏(lou)极(ji)(ji)的电(dian)压(ya)继续上升，它的空(kong)间电(dian)荷(he)区持续扩张达(da)到源极(ji)(ji)，那么源极(ji)(ji)的电(dian)子就会不受沟道和(he)栅(zha)压(ya)的控制，直接经过(guo)空(kong)间电(dian)荷(he)区高(gao)速到达(da)漏(lou)极(ji)(ji)，这就是源漏(lou)直接穿通(tong)了，这时MOS管的开关功能也(ye)就作废了。

mos管饱和区电流公式及其详解

mos管(guan)饱和(he)区(qu)电流公式，在强反(fan)型(xing)状(zhuang)态下饱和(he)区(qu)中的(de)工(gong)作(zuo)。小(xiao)信号(hao)参(can)数(shu)的(de)值(zhi)因MOS晶体管(guan)的(de)工(gong)作(zuo)区(qu)域而变化。假定MOS晶体管(guan)处于VGS比阈值(zhi)电压VT高得多(duo)的(de)强反(fan)型(xing)状(zhuang)态，而且工(gong)作(zuo)在饱和(he)区(qu)，求这种状(zhuang)况下的(de)小(xiao)信号(hao)参(can)数(shu)。

可将跨导gm表示如下：

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