MOS場效應管的直流特性模型分析及講解

MOS場效應管的直流特性
去除圖1.3-1b中的五個電容，即得n溝MOS管的直流特性模型。該模型除歐姆電阻外，只對漏源電流ID及兩個襯底結二極管進行模擬。

由第一節討論可知，MOS場效應管工作區分可成線性區（可調電阻區）和飽和區。

現以n溝增強型MOS為例，討論溝道夾斷前（即在線性區時）MOS管的電流-電壓特性。在線性區，漏電壓VD比柵電壓VG小。n溝MOS管的立體圖如圖1.3-2所示。從源極到漏極形成反型層溝道，溝道的寬度W與溝道的長度L是定值，溝道厚度小于氧化層厚度tox，溝道的立體圖畫在圖的右面，Y方向為電流ID的流向。

設溝道的電流密度為J（x，y），則漏源電流ID為：

因    

而V是溝道電壓，它是х、у的函數。

將（1.3-2）式代入（1.3-1）式得

上式n為溝道中的電子濃度，μn為電子遷移率。

因很小，在方向上可近似認為溝道電壓V是常量，因而溝道電壓V只是y的函數，并假設溝道中的電子遷移率也是常量，則上式可寫為：

而每平方厘米上的溝道電子電荷=柵極電荷-VT感應電荷：

將上式代入（1.3-4）式得：

將上式兩邊積分得：

由上式得

式中μn為溝道內的電子平均遷移率，單位是厘米²（伏·秒）；

=單位面積的柵氧化層電容，單位是法/厘米²；為真空電容率，其值為8.85×10^-14法/厘米；為柵介質SiO2的相對介電常數，其值為3.8~4；為柵氧化層厚度，其值一般為600~1000埃；W為溝道寬度；L為溝道長度；閾值電壓VT表示式為：

其中VT，是指時的閾值電壓，所以VT稱為零偏閾值電壓，其值由下式決定：

如果假定閾值電壓VT為某值（如VT=1），那未利用（1.3-6）式可作出ID~VDS關系曲線，其曲如圖1.3-3所示，對應于某一個VGS，ID有一個最大值，最大值處的VDS=VGS-VT。即VDS≥VGS-VT時，已不是線性區，而進入飽和區。當VDS增大到時的漏源電壓，在漏端的溝道開始夾斷，即漏端的感應溝道消失。MOS場效應管的直流特性。這樣，（1.3-6）式已不適用了。進入飽和區后，ID基本上保持不變，它可以由（1.3-6）式中的VDS由代入而得，即有

進入飽和區后，由于漏區和溝道夾斷點之間存在著勢壘區（見圖1.1-9c），使溝道的有效長度比未夾斷時的長度縮短，這個效應稱為溝道長度調變效應。設溝道長度縮短值為ΔL，那么受調變作用影響的溝道有效長度為：

式中的ΔL可由下式表示：

從式（1.3-11）可看出，溝道長度的縮短ΔL與漏源電壓VDS有關，VDS越大，漏區和溝道夾斷點之間的勢壘寬度越大，即ΔL越大，有效溝道長度就越小。

溝道長度調變效應造成飽和區電流隨著漏源電壓VDS的增加而增加，使MOSFET的漏源輸出阻抗降低。

為反映MOSFET進入飽和區后的溝道長度調變效應。只要將（1.3-9）式中的L用（1.3-10）式的取代就是了。其關系式寫為：

式中的，為溝道長度調變參數，單位是伏^-1。            （1.3-13）

利用（1.3-6）式和（1.3-12）式，得到MOSFET的輸出特性曲線如圖1.3-4所示。為清楚起見，圖中采用規一化座標。當。在飽和區部分，用實線表示；用虛線表示。

綜上所述，MOSFET的工作區可分三個區，即截止區、線性區和飽和區。其各區的電流-電壓關系式為：

1、截止區

2、線性區

3、飽和區

（1.3-14~16）中的VT仍用（1.3-7）式表示。

由（1.3-7）式可知，閾值電壓VT與襯底和源極間的反向偏壓有關，VDS=0時，，隨著反向偏壓增大，VT也增大。這種VT隨增大而增大的效應，通常稱為襯底偏置效應或體效應，其關系曲線可由圖1.3-5表示，其轉移特性曲線（ID-VGS）如圖1.3-6所示。

在電路和版圖設計時，通常將MOS管的源極與襯底連接，以避免襯底偏置效應。

因MOS場效應管是對稱的，故n溝MOSFET既可工作在正向區，即VDS>0，也可工作在反向區，即VDS<0。工作在反向區時，其作用相當于正向區漏極變成反向區源極，正向區源極變成反向區漏極。MOS場效應管的直流特性。同樣可寫出反向區的電流-電壓關系式。

1、截止區

2、線性區

3、飽和區

（1.3-16~18）式中的VT的表示式為：

式中與（1.3-7）式相同。

襯底二極管電流可用晶體管中理想的Pn結電流方程來模擬，它們是：

式中為襯底同源之間的二極管電流，為襯底同漏之間的二極管電流，為襯底同源之間的偏置電壓，為襯底同漏之間的偏置電壓，As為MOSFET源區面積，AD為MOS-FET漏區面積，為pn結反向飽和電流密度。

圖1.3-1b中的漏、源歐姆電阻數值較小，它對MOS管工作點影響可忽略，通?？扇∑錇榱?。

以上討論了n溝MOSFET的直流模型，給出了漏源電流ID的關系式，這些關系式同樣適用于P溝MOSFET，只要在ID關系式中將溝道表面電子遷移率μn換成溝道表面空穴遷移率，并改變ID符號。

根據MOSFET的直流模型，就可算出MOSFET的直流工作點（電壓和電流）。