MOS晶體管I-V特性

本章定性和定量分析MOS的電流IDS與柵源電壓VGS、漏源電壓VDS間的IV特性關(guān)系。NMOS的剖面結(jié)構(gòu)圖以及其電路符合如下圖所示，由柵極(G)，漏極(D)、源極(S)和基板(B)構(gòu)成。當(dāng)GS極加入正電壓，當(dāng)VGS>VTH時(shí)，G極板通過柵氧電容會(huì)在D極和S極間形成帶自由電子的導(dǎo)電溝道；當(dāng)VDS>0時(shí)，導(dǎo)電溝道的自由電子就會(huì)移動(dòng)形成電流。

根據(jù)電流的定義單位時(shí)間流過橫截面的電荷量，可以求出IDS為總的電荷量Q處于時(shí)間t;電容的電荷量為C*Vox；下圖為NMOS 的立體結(jié)構(gòu)圖，G極對(duì)B極的電容可以近似求出為WLCox(Cox為單位面積柵氧電容值)，L(導(dǎo)電溝道長度)除以t則為電荷移動(dòng)速度vox。電荷移動(dòng)速度vox又可以由電場VDS/L(假設(shè)電場分布均勻)和電子遷移率μn相乘得到。

當(dāng)VDS=0時(shí)即只有VGS作用：形成導(dǎo)電溝道的有效電壓（過驅(qū)動(dòng)電壓）可表示如下：

實(shí)際上由于VDS與Veff共同作用，形成的溝道電荷厚度不是均勻分布，如下圖所示，導(dǎo)電溝道呈斜坡狀。當(dāng)VDS

靠近VSS端有效溝道形成電壓高（Veff）電荷厚。取中間點(diǎn)平均電壓VDS/2來近似計(jì)算IDS：

當(dāng)VDS從0V繼續(xù)增大到VDS=Veff時(shí)，靠近VD端的溝道被夾斷，有效溝道形成電壓為0；再繼續(xù)增大VDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，VDS增加的部分全部落在夾斷區(qū)，故ID幾乎不隨VDS增大而變化，IDS可表示為：

考慮以上兩種情況下的Vox， IDS可綜合如下

通過分析IDS與VGS和VDS的關(guān)系式，NMOS的IV特性曲線如下圖所示。左圖中當(dāng)VGS

公式如下，其中VSB為源極對(duì)襯底的電壓，α為比例系數(shù)，大概0.2左右。

寄生電容：柵氧化層電容C1=WLCox, 襯底和溝道與襯底間的耗盡層電容C2，柵和源/漏極電容C3， C4，源/漏極與襯底間的PN結(jié)電容C5和C6。

各電容隨電壓變化趨勢如下圖所示。當(dāng)VGS=0時(shí)，沒有溝道耗盡層C2=0， C3=C4, CGB=(C1串聯(lián)連接C2)=C1; 隨著VGS上升至VTH，由于C2很小，C1和C2串聯(lián)后的CGB變?。划?dāng)VDS>VGS>VTH，由于飽和區(qū)溝道的存在，C1不存在，CGB=C2保持一個(gè)很小的狀態(tài)，CGD=C4不變（溝道夾斷），CGS可以看成C3并聯(lián)‘C1*2/3’(由于溝道分布不均勻，不等于WLCox); 接著增大VGS>VDS(線性區(qū)), 溝道近似線性分布，CGB由于溝道的隔離任然保持一個(gè)很小的狀態(tài)，CGS可近似認(rèn)為等于CGD=C3+C1/2=C4+C1/2。源/漏極與襯底間的PN結(jié)電容C5與C6，即CDB隨VDB增大而變小，如果S接地，CSB的耗盡層電壓不變也不變。

審核編輯：湯梓紅