當(dāng)VGS>VTH時,MOSFET表現(xiàn)為一個壓控電阻;但是,能讓MOSFET成為現(xiàn)在集成電路中的翹楚,肯定不是只是壓控電阻這么簡單呢。當(dāng)漏極電壓逐夠大的時候,MOS管會表現(xiàn)為一個壓控電流源。這使得MOSFET可以成為一個放大器。
那到底是什么讓MOSFET可以成為一個壓控電流源呢?我覺得是MOSFET的通道夾斷效應(yīng)(channel Pinch-off)。
那什么是通道夾斷效應(yīng)呢?
(1)當(dāng)柵極和P型襯底接觸面之間的電勢差大于VTH時,開始形成溝道。如果VD=VS=0時,雖然溝道形成,但是還是沒有電流,因此沿著溝道長度處的電勢相等。
(2)加大VD的電壓,使得VD>0&VG-VD>Vth,溝道中開始有電流形成,而由于溝道電阻的存在,所以沿著溝道長度處的電勢是不等的,靠近源極處為0,而靠近漏極處為VD。所以此時,柵極和P型襯底接觸面之間的電勢差也是不等的,靠近源極處為VG,而靠近漏極處為VG-VD。
(3)繼續(xù)加大VD的電壓,使得VG-VD=Vth,此時在x=L,即漏極處,溝道截止。即產(chǎn)生通道夾斷效應(yīng)。
(4)在繼續(xù)加大VD的電壓,使得VG-VD<Vth,則溝道仍然截止,但截止點位于漏極和源極之間的某處,如L1<L處截止。而在L1與L處則沒有通道。
那在L1和L之間沒有通道了,那是不是就沒有電流了呢?答案當(dāng)然不是啦,要不然MOSFET管就不會像今天這么流行了。因為漏極是n型摻雜,襯底為P型摻雜,所以漏極和襯底之間有一個PN結(jié),且VD>0, VSUB=0,即n區(qū)域的電勢高于P區(qū)域的電勢,即PN結(jié)處于反偏狀態(tài),所以其存在耗盡區(qū)。而耗盡區(qū)內(nèi)的電場,則會把到達(dá)溝道截止處的電子吸引過來,保證電子可以繼續(xù)通過。
但是,此時,VD不會對電流的大小具有顯著影響了,這時MOSFET就表現(xiàn)為一個恒流源。
上面是定性分析,下面可以更進(jìn)一步,采用定量分析的方法,來看一下,為什么此時MOSFET像個恒流源了呢?在分析這個問題之前,先定義幾個變量。變量1:Cox,單位面積下柵極與溝道之間的電容,單位為F/m2.變量2:C,單位長度下柵極與溝道之間的電容,單位為F/m變量3:V,柵極與溝道之間的電壓變量4:W,柵極的寬度變量5:L,溝道的長度 變量6:Q,單位長度下溝道中的自由電子,即電荷密度,單位為 Q/m變量7:v,電荷的移動速度
現(xiàn)在,開始公式推導(dǎo)之旅。
C=W*CoxV=VGS-VTH(因為當(dāng)VGS<VTH時,不存在自由電荷)V(x)=VGS-V(x)-VTH(因為溝道電勢隨位置變化,在源極V(x)=0)Q(x)=C*V(x)=WCox(VGS-V(x)-VTH),溝道上的電荷密度I=dQ/dt=v*dt*Q(x)/dt=v*Q(x)
因為溝道中的電流,主要是在電場作用下移動,所以屬于漂移電流,因此:
則得到以下公式:
而ID在通道中,是恒定的,因為電子也沒啥地方可去,只能從源極跑到漏極。所以:
當(dāng)VDS<VGS-VTH時,為triode region,也稱為線性區(qū)域;當(dāng)VDS>VGS-VTH時,為飽和區(qū)域。不過在線性區(qū)域處,還存在一個深度線性區(qū)域,即VDS<<2(VGS-VTH),此時
即對于固定的VGS,ID與VDS呈線性關(guān)系,即MOS管表現(xiàn)為一個簡單的線性電阻。
由于通道長度調(diào)制效應(yīng),飽和區(qū)的本來平坦的直線會微微上翹。這是因為當(dāng)溝道夾斷效應(yīng)發(fā)生后,L1在某種程度上,也會受VDS的影響,即VDS越大,L1會變小,但是變小的程度不大。所以,當(dāng)VDS變大時,ID也會有一定程度的變大。此時,
不再是∞,不過由于ID-VDS的斜率不高,所以輸出電阻還是比較大。