MOS管器件弱反型次开启特性及关系式分析

信息来源: 时间:2022-3-3

MOS管器件弱反型次开启特性及关系式分析

早期就有人发现,在长沟MOS器件中IDS随VGS不是突变的,而是有一段缓冲过渡区,如图1.36所示。此过渡区就是弱反型次开启区。它在原理上是不难理解的,因为早先模型中,人为地定义image.png作为开启条件,这是强反型条件。当image.pngimage.png时表面就开始反型,将image.png称为弱反型区,并有弱反型电流。

MOS管器件弱反型次开启

下面将对弱反型电流进行定量分析。图1.37为弱反型条件下的表面能带图。image.png为沟道电位。

存在image.png条件下的弱反型区:

MOS管器件弱反型次开启

表面区的泊松方程为:

image.png

为了简化计算,近似地假设在image.png强反型条件下,表面电子浓度为image.png,即有分布函数

MOS管器件弱反型次开启

(1.136)代入(1.135)

MOS管器件弱反型次开启

(1.138)代入(1.137),积分

MOS管器件弱反型次开启

上式后面一项的指数项可略去,由此得:

MOS管器件弱反型次开启

image.png为表面的面电荷密度,其中有可动电荷Qm及不可勒的耗尽电荷QB,因此有

MOS管器件弱反型次开启

对弱反型,image.png因此可对(1.140)中的指数项进行台劳展开:

MOS管器件弱反型次开启

上式中的image.pngimage.png相关联。为了求解Qm,必须将上式中的image.pngimage.png表达出来。

MOS管器件弱反型次开启

略去image.png项,将image.pngimage.png附近展开:

MOS管器件弱反型次开启

image.png,其中Cd为耗尽层电容,它是工作点的函数。

MOS管器件弱反型次开启

MOS管器件弱反型次开启

则有:

MOS管器件弱反型次开启

将(1.146)代入(1.141),得弱反型的image.pngimage.png的关系式

MOS管器件弱反型次开启

image.png时进入强反型区,这时有:

MOS管器件弱反型次开启

上式对image.png展开后:

MOS管器件弱反型次开启

由上式得强反型的可动电荷image.png表达式:

MOS管器件弱反型次开启

其中image.png也是随image.png加大而加大。

为了达到image.pngimage.png连续,可求出两者过渡点的image.png,可证明该点的MOS管器件弱反型次开启

MOS管器件弱反型次开启

image.png为强反型的起点,将它和(1.150)一起代入(1.147):

MOS管器件弱反型次开启

image.png,代入上式则有:

image.png

其中image.png为一个系数,应有MOS管器件弱反型次开启

在SPICE中为了达到电流在image.png处连续,将系数采用类似强反型的电流公式,只是将原来公式中的image.png换成image.png得弱反型image.png

MOS管器件弱反型次开启

严格求image.png应该对image.png进行积分计算,这里不给推导过程,只给出结果:

MOS管器件弱反型次开启

从上式可见,弱反型电流image.pngimage.png呈指数增加,因而具有很大的跨导image.png电流随着image.png增加也逐步趋向饱和。

(1.154)可化成更常用的简化公式:

MOS管器件弱反型次开启

其中

MOS管器件弱反型次开启

图1.38是image.png特性。由图可见,当image.png,(室温为78mV)时image.png就达到饱和,因此工作在次开启区的电路可以在低压下工作,这对一些微功率电路是十分有利的。电路的功率可表示为交流和直流两部分之和:

MOS管器件弱反型次开启

对CMOS电路来说,Io直流漏电流很小,可略去,因此功率P随工作电压VDS下降面平方关系降低。

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