為什么MOS管飽和區(qū)溝道夾斷了還有電流？

MOS管就像開(kāi)關(guān)。 柵極(G)決定源極(S)到漏極(D)是通還是不通。以NMOS為例，圖1中綠色代表（N型）富電子區(qū)域，黃色代表（P型）富空穴區(qū)域。P型和N型交界處會(huì)有一層耗盡層分隔（也叫空間電荷區(qū)，如圖中白色分界所示）。VT是開(kāi)關(guān)的閾值，超過(guò)閾值就開(kāi)，低于閾值就開(kāi)不了。柵電壓越大，下面感應(yīng)出來(lái)的電子越多，形成的溝道越寬。柵與溝道之間有氧化層隔離。在源漏沒(méi)有電壓時(shí)溝道寬窄是一樣的，這很好理解。

圖1. 柵壓產(chǎn)生溝道決定MOS管源漏之間通不通

當(dāng)漏極電壓升高，柵極靠近漏極的相對(duì)電壓就小，因此溝道受其影響寬窄不同。由于電流是連續(xù)的，所以窄的地方電流密度大，這也好理解，如圖2所示。這是源漏電流IDS是隨其電壓VDS增大而線性增大的“線性區(qū)”。

圖2. 溝道寬窄受兩端電壓影響（線性區(qū)）

要注意的是，這時(shí)柵極電壓絕對(duì)值并沒(méi)有降低，靠近漏極溝道變窄的原因，是柵極的影響力部分被漏極抵消了。一部分本來(lái)可以柵吸引形成溝道的電子，就被漏極正電壓拉過(guò)去了。

當(dāng)漏極電壓繼續(xù)升高，如果超過(guò)柵電壓，造成溝道右邊不滿(mǎn)足開(kāi)通條件而“夾斷”。之所以出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，是因?yàn)樵谶@個(gè)點(diǎn)，柵極對(duì)電子的吸引力被漏極取代。這時(shí)候MOS管進(jìn)入“飽和區(qū)”，電流很難繼續(xù)隨電壓增大。

很多同學(xué)理解不了既然這時(shí)候溝道夾斷了，不是應(yīng)該截止了嗎？為什么還會(huì)繼續(xù)有電流？

原因是雖然理論上溝道已經(jīng)“夾斷”，但這個(gè)夾斷點(diǎn)很薄弱。為什么說(shuō)它薄弱？因?yàn)閵A斷點(diǎn)后面支撐它的不是原來(lái)P型區(qū)域，而是電壓升高更吸引電子的漏極及其空間電荷區(qū)。因此電子沖入空間電荷區(qū)，就相當(dāng)于幾乎沒(méi)有阻擋的“準(zhǔn)自由電子”快速被漏極收集。如圖3所示。

圖3. 溝道“夾而不斷”（飽和區(qū)）

可以想象，隨著靠近漏極的溝道越來(lái)越細(xì)，很多高速的電子沖過(guò)來(lái)，一部分?jǐn)D過(guò)夾斷點(diǎn)進(jìn)入空間電荷區(qū)，然后被漏極正電場(chǎng)高速收集（形成示意圖中紫色電流）。漏極電壓越高，夾斷點(diǎn)越后退，造成電子越難穿越，因此飽和區(qū)電流不再隨電壓增大而線性增大，畢竟不是所有電子都能沖過(guò)夾斷點(diǎn)。源漏電流電壓曲線如圖4所示。

圖4. 電流電壓曲線

用水槍比喻就很好理解：在水管水流很急時(shí)，試圖用薄片擋住是很難的，水流會(huì)呲過(guò)阻擋形成噴射，噴口越細(xì)噴射越急，如圖5所示。因此“夾斷”這個(gè)詞容易引起誤解，實(shí)際應(yīng)該是“夾而不斷”，電流只是被限制而非截止。

圖5. 薄片很難擋住水槍噴射

當(dāng)然，如果漏極的電壓繼續(xù)上升，它的空間電荷區(qū)持續(xù)擴(kuò)張達(dá)到源極，那么源極的電子就會(huì)不受溝道和柵壓的控制，直接經(jīng)過(guò)空間電荷區(qū)高速到達(dá)漏極，這就是源漏直接穿通了，這時(shí)MOS管的開(kāi)關(guān)功能也就作廢了。

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