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為什么MOS管飽和區溝道夾斷了還有電流?

2020-3-31 16:20| 編輯:電工學習網| 查看: 1070| 評論: 0

摘要: MOS管就像開關。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)富電子區域,黃色代表(P型)富空穴區域。P型和N型交界處會有一層耗盡層分隔(也叫空間電荷區,如圖中白色分界所示)。V ...
     MOS管就像開關。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)富電子區域,黃色代表(P型)富空穴區域。P型和N型交界處會有一層耗盡層分隔(也叫空間電荷區,如圖中白色分界所示)。VT是開關的閾值,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”。

     圖2. 溝道寬窄受兩端電壓影響(線性區)
      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”,電流很難繼續隨電壓增大。
     很多同學理解不了既然這時候溝道夾斷了,不是應該截止了嗎?為什么還會繼續有電流?
     原因是雖然理論上溝道已經“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型區域,而是電壓升高更吸引電子的漏極及其空間電荷區。因此電子沖入空間電荷區,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)
     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,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上升,它的空間電荷區持續擴張達到源極,那么源極的電子就會不受溝道和柵壓的控制,直接經過空間電荷區高速到達漏極,這就是源漏直接穿通了,這時MOS管的開關功能也就作廢了。

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