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為什么MOS管飽和區(qū)溝道夾斷了還有電流?

鉅大LARGE  |  點擊量:2375次  |  2020年05月03日  

隨著漏源電壓不斷增大,當達到夾斷電壓時,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,溝道的夾斷點向源極方向運動,那么在溝道和漏極之間就會隔著一段耗盡區(qū),當溝道中的電子到達溝道端頭的耗盡區(qū)邊界時,會立即被耗盡區(qū)內(nèi)的強電場掃入漏區(qū),所以會有電流的存在。由于電子在耗盡區(qū)內(nèi)的飄移速度已達到飽和速度,不再隨著電場的增大而增大,所以漏極電流達到飽和。


當漏一源之間接上+VDS時,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VDS增大到柵一漏電位差VGS=VLS=VGS(rh)時,漏端預(yù)夾斷。這個夾斷區(qū)成了漏一源間電流通路上電阻最大的區(qū)。V璐的任何一點增加都必然會集中降在這里,使預(yù)夾斷區(qū)具有很強的電場。由于現(xiàn)在被夾的只是漏端的一個小區(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,在到達預(yù)夾斷區(qū)時,就受夾斷區(qū)強電場的吸引,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,超過閾值就開,低于閾值就開不了。柵電壓越大,下面感應(yīng)出來的電子越多,形成的溝道越寬。柵與溝道之間有氧化層隔離。在源漏沒有電壓時溝道寬窄是一樣的,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


當漏極電壓升高,柵極靠近漏極的相對電壓就小,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,這時柵極電壓絕對值并沒有降低,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。一部分本來可以柵吸引形成溝道的電子,就被漏極正電壓拉過去了。


當漏極電壓繼續(xù)升高,如果超過柵電壓,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,是因為在這個點,柵極對電子的吸引力被漏極取代。這時候MOS管進入“飽和區(qū)”,電流很難繼續(xù)隨電壓增大。


很多同學(xué)理解不了既然這時候溝道夾斷了,不是應(yīng)該截止了嗎?為什么還會繼續(xù)有電流?


原因是雖然理論上溝道已經(jīng)“夾斷”,但這個夾斷點很薄弱。為什么說它薄弱?因為夾斷點后面支撐它的不是原來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),就相當于幾乎沒有阻擋的“準自由電子”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越細,很多高速的電子沖過來,一部分擠過夾斷點進入空間電荷區(qū),然后被漏極正電場高速收集(形成示意圖中紫色電流)。漏極電壓越高,夾斷點越后退,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夾斷點。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,試圖用薄片擋住是很難的,水流會呲過阻擋形成噴射,噴口越細噴射越急,如圖5所示。因此“夾斷”這個詞容易引起誤解,實際應(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)擴張達到源極,那么源極的電子就會不受溝道和柵壓的控制,直接經(jīng)過空間電荷區(qū)高速到達漏極,這就是源漏直接穿通了,這時MOS管的開關(guān)功能也就作廢了。


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