MOS场效应管的直流特性模型分析及讲解

MOS场效应管的直流特性
去除图1.3-1b中的五个电容，即得n沟MOS管的直流特性模型。该模型除欧姆电阻外，只对漏源电流ID及两个衬底结二极管进行模拟。

由第一节讨论可知，MOS场效应管工作区分可成线性区（可调电阻区）和饱和区。

现以n沟增强型MOS为例，讨论沟道夹断前（即在线性区时）MOS管的电流-电压特性。在线性区，漏电压VD比栅电压VG小。n沟MOS管的立体图如图1.3-2所示。从源极到漏极形成反型层沟道，沟道的宽度W与沟道的长度L是定值，沟道厚度小于氧化层厚度tox，沟道的立体图画在图的右面，Y方向为电流ID的流向。

设沟道的电流密度为J（x，y），则漏源电流ID为：

因    

而V是沟道电压，它是х、у的函数。

将（1.3-2）式代入（1.3-1）式得

上式n为沟道中的电子浓度，μn为电子迁移率。

因很小，在方向上可近似认为沟道电压V是常量，因而沟道电压V只是y的函数，并假设沟道中的电子迁移率也是常量，则上式可写为：

而每平方厘米上的沟道电子电荷=栅极电荷-VT感应电荷：

将上式代入（1.3-4）式得：

将上式两边积分得：

由上式得

式中μn为沟道内的电子平均迁移率，单位是厘米²（伏·秒）；

=单位面积的栅氧化层电容，单位是法/厘米²；为真空电容率，其值为8.85×10^-14法/厘米；为栅介质SiO2的相对介电常数，其值为3.8~4；为栅氧化层厚度，其值一般为600~1000埃；W为沟道宽度；L为沟道长度；阈值电压VT表示式为：

其中VT，是指时的阈值电压，所以VT称为零偏阈值电压，其值由下式决定：

如果假定阈值电压VT为某值（如VT=1），那未利用（1.3-6）式可作出ID~VDS关系曲线，其曲如图1.3-3所示，对应于某一个VGS，ID有一个最大值，最大值处的VDS=VGS-VT。即VDS≥VGS-VT时，已不是线性区，而进入饱和区。当VDS增大到时的漏源电压，在漏端的沟道开始夹断，即漏端的感应沟道消失。MOS场效应管的直流特性。这样，（1.3-6）式已不适用了。进入饱和区后，ID基本上保持不变，它可以由（1.3-6）式中的VDS由代入而得，即有

进入饱和区后，由于漏区和沟道夹断点之间存在着势垒区（见图1.1-9c），使沟道的有效长度比未夹断时的长度缩短，这个效应称为沟道长度调变效应。设沟道长度缩短值为ΔL，那么受调变作用影响的沟道有效长度为：

式中的ΔL可由下式表示：

从式（1.3-11）可看出，沟道长度的缩短ΔL与漏源电压VDS有关，VDS越大，漏区和沟道夹断点之间的势垒宽度越大，即ΔL越大，有效沟道长度就越小。

沟道长度调变效应造成饱和区电流随着漏源电压VDS的增加而增加，使MOSFET的漏源输出阻抗降低。

为反映MOSFET进入饱和区后的沟道长度调变效应。只要将（1.3-9）式中的L用（1.3-10）式的取代就是了。其关系式写为：

式中的，为沟道长度调变参数，单位是伏^-1。            （1.3-13）

利用（1.3-6）式和（1.3-12）式，得到MOSFET的输出特性曲线如图1.3-4所示。为清楚起见，图中采用规一化座标。当。在饱和区部分，用实线表示；用虚线表示。

综上所述，MOSFET的工作区可分三个区，即截止区、线性区和饱和区。其各区的电流-电压关系式为：

1、截止区

2、线性区

3、饱和区

（1.3-14~16）中的VT仍用（1.3-7）式表示。

由（1.3-7）式可知，阈值电压VT与衬底和源极间的反向偏压有关，VDS=0时，，随着反向偏压增大，VT也增大。这种VT随增大而增大的效应，通常称为衬底偏置效应或体效应，其关系曲线可由图1.3-5表示，其转移特性曲线（ID-VGS）如图1.3-6所示。

在电路和版图设计时，通常将MOS管的源极与衬底连接，以避免衬底偏置效应。

因MOS场效应管是对称的，故n沟MOSFET既可工作在正向区，即VDS>0，也可工作在反向区，即VDS<0。工作在反向区时，其作用相当于正向区漏极变成反向区源极，正向区源极变成反向区漏极。MOS场效应管的直流特性。同样可写出反向区的电流-电压关系式。

1、截止区

2、线性区

3、饱和区

（1.3-16~18）式中的VT的表示式为：

式中与（1.3-7）式相同。

衬底二极管电流可用晶体管中理想的Pn结电流方程来模拟，它们是：

式中为衬底同源之间的二极管电流，为衬底同漏之间的二极管电流，为衬底同源之间的偏置电压，为衬底同漏之间的偏置电压，As为MOSFET源区面积，AD为MOS-FET漏区面积，为pn结反向饱和电流密度。

图1.3-1b中的漏、源欧姆电阻数值较小，它对MOS管工作点影响可忽略，通常可取其为零。

以上讨论了n沟MOSFET的直流模型，给出了漏源电流ID的关系式，这些关系式同样适用于P沟MOSFET，只要在ID关系式中将沟道表面电子迁移率μn换成沟道表面空穴迁移率，并改变ID符号。

根据MOSFET的直流模型，就可算出MOSFET的直流工作点（电压和电流）。