為什么MOS管飽和區(qū)溝道夾斷了還有電流以及飽和區(qū)電流公式詳解

隨著漏源電壓不斷增大，當(dāng)達(dá)到夾斷電壓時(shí)，溝道厚度在漏極處減薄為零，溝道在漏極處消失，該處只剩下耗盡層，這是所謂的夾斷；漏源電壓繼續(xù)增大，溝道的夾斷點(diǎn)向源極方向運(yùn)動(dòng)，那么在溝道和漏極之間就會(huì)隔著一段耗盡區(qū)，當(dāng)溝道中的電子到達(dá)溝道端頭的耗盡區(qū)邊界時(shí)，會(huì)立即被耗盡區(qū)內(nèi)的強(qiáng)電場(chǎng)掃入漏區(qū)，所以會(huì)有電流的存在。由于電子在耗盡區(qū)內(nèi)的飄移速度已達(dá)到飽和速度，不再隨著電場(chǎng)的增大而增大，所以漏極電流達(dá)到飽和。

當(dāng)漏一源之間接上+ VDS時(shí)，從源一溝道一漏組成的N型半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)橫向的電位梯度：源區(qū)為零電位，漏區(qū)為+ VIB，而溝道的電位則從源端向漏端逐漸升高。在溝道的不同位置上，溝道厚度不同，源湍最厚，漏端最薄，逐漸升高。

在溝道的不同位置上，溝道厚度不同，源端最厚，漏端最薄，當(dāng)VDS增大到柵一漏電位差VGS= VLS= VGS（rh）時(shí)，漏端預(yù)夾斷。這個(gè)夾斷區(qū)成了漏一源間電流通路上電阻最大的區(qū)。V璐的任何一點(diǎn)增加都必然會(huì)集中降在這里，使預(yù)夾斷區(qū)具有很強(qiáng)的電場(chǎng)。

由于現(xiàn)在被夾的只是漏端的一個(gè)小區(qū)域，在預(yù)夾斷區(qū)左邊還有N溝道，這些自由電子仍可在溝道中漂移，在到達(dá)預(yù)夾斷區(qū)時(shí)，就受夾斷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的吸引，滑入漏區(qū)。所以，在漏端預(yù)夾斷后，漏一源之間仍有漏極電流ID。

為什么MOS管飽和區(qū)溝道夾斷了還有電流？

MOS管就像開關(guān)。柵極（G）決定源極（S）到漏極（D）是通還是不通。以NMOS為例，圖1中綠色代表（N型）富電子區(qū)域，黃色代表（P型）富空穴區(qū)域。P型和N型交界處會(huì)有一層耗盡層分隔（也叫空間電荷區(qū)，如圖中白色分界所示）。VT是開關(guān)的閾值，超過(guò)閾值就開，低于閾值就開不了。柵電壓越大，下面感應(yīng)出來(lái)的電子越多，形成的溝道越寬。柵與溝道之間有氧化層隔離。在源漏沒(méi)有電壓時(shí)溝道寬窄是一樣的，這很好理解。

圖1. 柵壓產(chǎn)生溝道決定MOS管源漏之間通不通

當(dāng)漏極電壓升高，柵極靠近漏極的相對(duì)電壓就小，因此溝道受其影響寬窄不同。由于電流是連續(xù)的，所以窄的地方電流密度大，這也好理解，如圖2所示。這是源漏電流IDS是隨其電壓VDS增大而線性增大的“線性區(qū)”。

圖2.溝道寬窄受兩端電壓影響（線性區(qū)）

要注意的是，這時(shí)柵極電壓絕對(duì)值并沒(méi)有降低，靠近漏極溝道變窄的原因，是柵極的影響力部分被漏極抵消了。一部分本來(lái)可以柵吸引形成溝道的電子，就被漏極正電壓拉過(guò)去了。

當(dāng)漏極電壓繼續(xù)升高，如果超過(guò)柵電壓，造成溝道右邊不滿足開通條件而“夾斷”。之所以出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，是因?yàn)樵谶@個(gè)點(diǎn)，柵極對(duì)電子的吸引力被漏極取代。這時(shí)候MOS管進(jìn)入“飽和區(qū)”，電流很難繼續(xù)隨電壓增大。

很多朋友理解不了既然這時(shí)候溝道夾斷了，不是應(yīng)該截止了嗎？為什么還會(huì)繼續(xù)有電流？原因是雖然理論上溝道已經(jīng)“夾斷”，但這個(gè)夾斷點(diǎn)很薄弱。為什么說(shuō)它薄弱？因?yàn)閵A斷點(diǎn)后面支撐它的不是原來(lái)P型區(qū)域，而是電壓升高更吸引電子的漏極及其空間電荷區(qū)。因此電子沖入空間電荷區(qū)，就相當(dāng)于幾乎沒(méi)有阻擋的“準(zhǔn)自由電子”快速被漏極收集。如圖3所示。

圖3.溝道“夾而不斷”（飽和區(qū)）

可以想象，隨著靠近漏極的溝道越來(lái)越細(xì)，很多高速的電子沖過(guò)來(lái)，一部分?jǐn)D過(guò)夾斷點(diǎn)進(jìn)入空間電荷區(qū)，然后被漏極正電場(chǎng)高速收集（形成示意圖中紫色電流）。漏極電壓越高，夾斷點(diǎn)越后退，造成電子越難穿越，因此飽和區(qū)電流不再隨電壓增大而線性增大，畢竟不是所有電子都能沖過(guò)夾斷點(diǎn)。源漏電流電壓曲線如圖4所示。

圖4. 電流電壓曲線

用水槍比喻就很好理解：在水管水流很急時(shí)，試圖用薄片擋住是很難的，水流會(huì)呲過(guò)阻擋形成噴射，噴口越細(xì)噴射越急，如圖5所示。因此“夾斷”這個(gè)詞容易引起誤解，實(shí)際應(yīng)該是“夾而不斷”，電流只是被限制而非截止。

圖5. 薄片很難擋住水槍噴射

當(dāng)然，如果漏極的電壓繼續(xù)上升，它的空間電荷區(qū)持續(xù)擴(kuò)張達(dá)到源極，那么源極的電子就會(huì)不受溝道和柵壓的控制，直接經(jīng)過(guò)空間電荷區(qū)高速到達(dá)漏極，這就是源漏直接穿通了，這時(shí)MOS管的開關(guān)功能也就作廢了。

mos管飽和區(qū)電流公式及其詳解

mos管飽和區(qū)電流公式，在強(qiáng)反型狀態(tài)下飽和區(qū)中的工作。小信號(hào)參數(shù)的值因MOS晶體管的工作區(qū)域而變化。假定MOS晶體管處于VGS比閾值電壓VT高得多的強(qiáng)反型狀態(tài)，而且工作在飽和區(qū)，求這種狀況下的小信號(hào)參數(shù)。

可將跨導(dǎo)gm表示如下：

在能夠疏忽溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的狀況下，得到

這個(gè)跨導(dǎo)gm能夠用漏極電流ID表示為

也能夠用漏極電流ID和柵極-源極間電壓VGS表示為

體跨導(dǎo)gmb能夠由下式求得：

由式(1．18)和式(1.20)，能夠分別導(dǎo)出

所以得到

應(yīng)用式(1.18)，能夠?qū)⒙O電導(dǎo)表示為

應(yīng)用這些小信號(hào)參數(shù)，能夠?qū)⑿⌒盘?hào)漏極電流id表示為下式：

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