MOS場效應晶體管的工作原理及靜態特性分析

為了討論MOS場效應晶體管的工作原理，我們假定它有圖1.4所示的簡單結構。以N溝道的情形為例，當柵極加正電壓時，垂直于硅表面方向的電勢關系如圖1.5所示。與柵極上感生的正電荷相對應的負電荷，除了在硅表面感生的電子之類的負電荷以外，還有在P型硅材底表面形成的空間電荷層中的受主離子之類的負空間電荷。首先，在此處忽略受主離子所形成的空間電荷的影響，認為與柵極感生的正電荷相對應的負電荷只有在硅表面感生的電子所形成的負電荷。MOS場效應管的工作原理。當感生的載流子密度很大，即柵電壓很大時，這種近似可以較好地成立，而隨著柵電壓的降低，這種近似就逐漸不成立了。

在圖1.4所示的結構中，由源向漏的方向取作χ軸，柵的長度記作L，寬度記作W。當向柵極和漏極分別加上以源極為基準的電壓VGs和VDS時，溝道內某點χ處的溝道電勢記作N（χ），則按照上節所述的理由，等效的柵電壓為（VGs一фMS+Vs'）。二氧化硅膜夾在導體之間形成的單位面積電容記作C1，則可得下列關系式

此時的漏電流如記作IDS，溝道內χ方向的電場強度如記作

Eχ，則有

式中是溝道內電子的漂移遷移率，它與硅晶體的體內值不同，并且隨柵電壓而變化。在本節的討論中，我們姑且把溝道遷移率視作不同于晶體體內值的常數。溝道內χ方向的電場強度與溝道電勢之間有下述關系

所以式（1.11）可寫作

由于IDS是流過溝道的總電流，按照電流的連續性原理，IDS是與χ無關的恒定值，所以式（1.13）可直接積分，并得下式

即有

這里，由源向漏流動的方向取作IDS的正向。如由漏向源流動的方向取作正向，則按所謂漏電流的意義，將它寫作ID，則上式變為

這就是MOS場效應晶體管直流伏安特性的表達式。

為使式（1.16）成立，式（1.10）中的N（χ）當然不能為零或負值。由于V（χ）介乎0和VDS之間，若

則N（χ）不管處于溝道內何處，其值均為正，所以式（1.16）一定成立?？梢哉f，式（1.17）是式（1.16）成立的必要條件。

此時，我們再考慮如式（1.17）不成立時會發生怎樣的情形。首先，我們試在式（1.17）成立的區域內加大VDS，使VGs-фMs+Vs'-VDS逐漸趨近于零。此時漏電流逐漸趨近于

看起來似乎沒有什么特殊的表現，但如計算VDS有微小變化時的ID的變化量，即漏電導gDD時，由式（1.16）得到

我們知道此式有這樣的特點，即，隨著VDS趨近于（Vos-фMs+Vs'），gDD就趨近于零。

進一步增加VDS，使Vos-фMs+Vs'<VDs，則式（1.19）變為gDD<0，但此區域已越出式（1.16）成立的范圍，所以這個結論是不正確的。事實上，根據實驗結果gDD也不會變負，而是繼續取較小的正值，因此在進行粗略的討論時，當VGS-фMs+Vs'VDS時，完全可以用VGSфMs+Vs'=VDS時的數值來表示。MOS場效應管的工作原理。也就是說，對gDD而言，在VGS-фMs+Vs'VDS時，取gDD=0。根據這樣的考慮，整個VDS區域的伏安特性如圖1.6所示。

圖上的VP，系按下式定義的電壓，稱為夾斷電壓（pinch off Voltage）。

這就是當VDS=0時，如VGS=VP，則溝道的厚度恰好變成零，恰如自來水管夾扁時的情況。

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