MOS晶體管特性的基本知識、輸出特性、跨導表達式詳解

集成電路是由晶體管組合而成的，因而在集成電路設計中希望單個晶體管的特性簡單。為此，多采用粗略近似的簡單表達式。其要點如下。

這類簡單的表達式之一是，流過MOS晶體管的電流有與飽和區有效柵電壓的平方成正比^1）的關系。MOS晶體管特性。這一關系基于這樣的事實；當半導體內感生的載流子電荷Qs與有效柵電壓成正比，漏電壓在源端產生的電場也與有效柵電壓成正比時，特性曲線趨于飽和。

關于電流的另一近似是漂移電荷的速度達到極限速度（硅中的電子速度約為8.5×10⁶cm/秒）的場合，這一近似表明源-漏距離縮短，電場增強時，漂移速度趨于某一極限。因此，這一近似可用來限制電流的最大值。在這一近似中，因電流與電場無關，所以電流與有效電壓的一次方成正比。

決定這一電流的有效柵電壓可由柵-源間所加的電壓以及下述的閾值電壓求得。

（1）閾值電壓

如上所述，在有漏電流流動的區域，欲用閾值電壓表現漏電流和柵電壓的關系時，可將該電流區域漏電流與柵電壓的關系曲線外推，將漏電流變為零的柵電壓定義成。這是一種可用的無誤差方法。MOS晶體管特性。亦即，如在對柵電壓呈現平方律特性的區域應用時，將平方律區域漏電流變為零的柵電壓取作閾值電壓。

MOS晶體管，一般用半導體襯底以及相反導電類型的源漏區域構成，沒有電流流過襯底。由于溝道載流子是與源漏同一類型的載流子是與源漏同一類型的載流子，也可以認為半導體表面在電場作用下反型時，晶體管才開始流過電流，但按平方侓特征流過電流時，與襯底導電類型相反的表面載流子濃度與襯底雜質濃度NB幾乎變為同一量級，表面耗盡層電荷的增加可以忽略。此時的表面勢фs為體內費米勢ф_PB的兩倍，但與ф_PB的方向相反，如圖3.13所示。也就是說，在附近柵電壓的變化部分不僅在溝道內生成可動電荷，也可使耗盡層內的雜質電荷充放電，與平方律特性發生歧離，但在很好地顯示出平方律特性的附近，可將平方律特性外推，求得漏電流為零時的柵電壓。

閾值電壓可用表面勢-2ф_PB、此時的表面耗盡層電荷QB通過柵電容（單位面積電容Co）感生的電壓，補償氧化膜中有效電荷Qo的電壓-Qo/Co以及柵金屬與半導體的功函數差ф_MS來表示。亦即

式中，正號表示N溝道，負號表示P溝道。

（2）輸出特性

漏-源間的電流IDS在溝道中是連續的，設溝道長度為L，寬度為W，則有

等式兩邊均從x=0積分到L，整理后得

此式在溝道中的最高電壓——漏端電壓VDS低于時成立；如VDS高于，漏-溝道之間的耗盡層變寬，在加寬的部分產生電壓降，在有意存在載流子的溝道內，最高電壓總是。因此，電流趨于飽和，其數值大致恒定，用下式表示

但漏電壓VDS高于時，假定耗盡層在漏和溝道之間延伸的寬度為ΔL，因有

電流不完全飽和，有效溝道長度受漏電壓調制，于是出現了圖3.14所示的輸出電導^4），這與雙極型晶體管中的基區調變效應十分相似。MOS晶體管特性。襯底雜質濃度高，ΔL就小，輸出電導隨之減小，（下面將要討論的）gm也減小^3），所以要根據用途選擇最適當的濃度。

（3）跨導gm

跨導定義為漏電流IDS隨輸入電壓即柵電壓VGS的變化，是表示器件性能的重要參數之一。將式（3.3）、（3.4）微分后得下式

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