場效應(yīng)管的的尺寸與伏安特性介紹

通過MOSFET器件結(jié)構(gòu)的介紹和電學(xué)特性的分析，我們知道：

① MOSFET器件由導(dǎo)體-絕緣體-半導(dǎo)體三層結(jié)構(gòu)組成。 導(dǎo)體的一端為柵極（G），P型半導(dǎo)體基板上兩塊重?fù)诫s的N型半導(dǎo)體分別是源級(jí)（S）和漏極（D），具體哪一端是S，哪一端是D，需要通過其所接電壓的大小才能確定。

② 直觀的認(rèn)識(shí)：當(dāng)V_G>V_TH為常數(shù)時(shí)，溝道中的電流I_D隨著V_D的增大而增大； 當(dāng)V_D為常數(shù)時(shí)，溝道中的電流I_D隨著V_G的增大而增大。

那具體I_D和V_G、V_D是什么關(guān)系呢？ 表達(dá)式是什么？ V-I特性曲線長什么樣？ ：）OK，請(qǐng)往下看

全文內(nèi)容：

MOSFET的尺寸

MOSFET的溝道的性質(zhì)

MOSFET的伏安特性I

1、 MOSFET的尺寸

Fig. 2 MOSFET的幾何尺寸

Fig. 2標(biāo)出了我們所關(guān)注的MOSFET器件的幾何尺寸，包括溝道的有效長度L_eff（導(dǎo)體的長度L_drawn略大于L_eff），溝道的寬度W，絕緣層的厚度t_ox，這些參數(shù)主要影響溝道兩側(cè)的電容和溝道的電阻，從而影響著電壓電流的關(guān)系，后面的表達(dá)式會(huì)用到這些尺寸。

2、MOSFET的溝道的性質(zhì)

因?yàn)榱鬟^溝道的電流I_D和溝道的性質(zhì)強(qiáng)相關(guān)，所以要想弄清楚伏安特性，就必須先搞懂溝道的性質(zhì)。

Case I：如圖Fig.3 當(dāng)V_G=1V，V_TH=0.5V，源級(jí)和漏極分別接地時(shí)，此時(shí)溝道打開，溝道中聚集了電荷。 但是溝道兩頭沒有電壓，就沒有驅(qū)動(dòng)力，此時(shí)I_D=0。

圖3 案例I

Case II：如圖Fig.4 所示，V_G=1V，V_TH=0.5V，半導(dǎo)體基板上的兩級(jí)一個(gè)是0.6V，一個(gè)接地，因?yàn)镹型半導(dǎo)體電壓高的那端為漏極，低的一端為源級(jí)，所以V_D=0.6V，V_S=0V，得到V_GS=1V > V_TH，所以溝道開啟。 因?yàn)閂_DS=0.6V>0，所以溝道中存在從D流向S的電流。 （只要柵極相對(duì)于半導(dǎo)體基板其中任意一端的電壓大于V_TH，則溝道開啟） 。

圖4 案例二

但是因?yàn)樵醇?jí)和漏極電壓不一樣，溝道兩側(cè)的分布電壓就不一樣，靠近S端的電壓為V_GS=1V，靠近D端的電壓為V_GD=0.4V，根據(jù)Q=CV（一個(gè)圓等于兩個(gè)半圓），溝道中聚集的電荷數(shù)量分布也不均勻。 靠近S端的溝道中電荷多，靠近D端的溝道中電荷少。

上面兩個(gè)Case非常重要，這兩個(gè)Case如果理解清楚了，就摸清了電荷在溝道中的分布規(guī)律，電荷的變化率就是電流。 根據(jù)上面的原理，我們來推導(dǎo)MOSFET的伏安特性。

3、MOSFET的伏安特性

①先搞清楚溝道的電荷密度分布

對(duì)于Case I，溝道中單位長度的電荷密度為：

對(duì)于Case II，如圖Fig. 5，溝道中單位長度的電荷密度為：

其中，C_ox為分別電容，表示沿著溝道每一點(diǎn)處的單位長度電容值，單位為F/m^2。 V_GX表示溝道每一點(diǎn)x處絕緣體上下兩側(cè)的電壓差。

圖5

② 根據(jù)電荷的分布求出I_D隨電壓變化的表達(dá)式

圖 6

為了得到溝道中電流I_D的表達(dá)式，還有一個(gè)概念需要明確，即如Fig. 6所示，對(duì)一個(gè)物體兩邊加電壓，物體中的自由電子就會(huì)加速移動(dòng)，但是速度越快和周圍物質(zhì)的碰撞就會(huì)越頻繁，使得速度不會(huì)一直增大下去，自由電子的速度會(huì)到達(dá)一定的數(shù)值就不會(huì)繼續(xù)增加，但是這個(gè)速度值是和所加的電場成正比，即電場強(qiáng)度越大，自由電子最后穩(wěn)定下來后的速度值也越大，可表示為

其中，u_n可以理解為電子的運(yùn)動(dòng)能力，所以

這些表達(dá)式看似復(fù)雜，其實(shí)思路很清晰，推導(dǎo)過程比較簡單，紅框內(nèi)就是我們想要的表達(dá)式。 利用這個(gè)表達(dá)式，我們就可以知道I_D與V_GS的變化關(guān)系，I_D與V_DS的變化關(guān)系，這就是我們想要的，我們可以畫出如下圖的V-I曲線：

Fig.7 I_D隨V_DS變化曲線

圖Fig. 7為當(dāng)V_GS為常數(shù)時(shí)，I_D隨V_DS的變化曲線，按照紅框里我們辛辛苦苦求出來的公式，當(dāng)V_DS=V_GS-V_TH時(shí)，I_D取得最大值，當(dāng)V_DS再變大時(shí)，I_D會(huì)減小。

Fig. 8 I_D隨V_GS變化曲線

圖Fig. 8為當(dāng)V_DS為常數(shù)時(shí)，I_D隨V_GS的變化曲線，當(dāng)V_GS小于V_TH時(shí)，溝道中沒有足夠多的自由電荷，溝道不能開啟，當(dāng)V_GS大于V_TH時(shí)，按照紅框里的公式，I_D與V_GS為線性關(guān)系，溝道可以看成是一個(gè)恒定的電阻。

但是，有沒有覺得得到的伏安特性曲線有些怪怪的？ 求出來的公式有沒有限制條件呢？ 是不論V_GS和V_DS取任何值的時(shí)候都成立嗎？ 詳情下篇文章分解。

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