MOS晶体管工作的流体动态模似解析

信息来源: 时间:2022-6-20

MOS晶体管工作的流体动态模似解析

现在我们来介绍一种流体动态模似,它有助于增加关于晶体管工作的直观知识【72】。为简单起见,这种模拟将对应于Q′o,ΦMS和NA均可忽略的器件。不难检查,对于这样一个器件,有VFB≈0,ΦF≈0,γ=0和VT≈0。我们还将忽略弱反型区内的电流,并假定只有当VGS>VT(=0)时,这器件才导通。

这一模拟如下。电子对应于流体;电流流动对应于流体的净流动;源和漏对应于两个很大的池子,每个池子被这种流体充到液面为一定高度。由于假定池子很大,在一个合理的观察时间间隔内,流体从一个池子移动到另一池子将不会明显地改变池内的液面高度。这对应于任凭电流流动,晶体管源、漏处的电势保持恒定。这两个液池被一个活塞隔开,它对应于栅,如图4.15a所示。衬底电势对应于图中所示的“参考液面”。电势是从参考液面向下度量的。源、栅和漏相对于衬底的电势对应于图中所示的距离image.pngSBimage.pngGBimage.pngDB,并均取正值。图4.15a中,image.pngGS=image.pngGB-image.pngSB为负[对应于晶体管中VGS<0(=VT)]。这时“沟道”截止,源、漏之间无联系。现在增加image.pngGB,如图4.15b所示,因而image.pngGS=image.pngGB-image.pngSB变为正的[对应于晶体管的VGS>VT(=0)]。沟道现在被流体充满。源和漏之间的联系有了可能,但是在图4.156所示的情况下,并不存在液体的流动,这是由于image.pngDB=image.pngSB,从而image.pngDS=image.pngDB-image.pngSB=0的缘故。深度image.png对应于晶体管中的表面势。因为这应是与考虑中的简化晶体管[式(4.4.7)中的фB≈0]相对应的情况,故image.pngimage.pngSBimage.pngDS的共同高度。沟道中流体的总量正比于距离image.pngGB-image.png。对于考虑中的简化晶体管,式(4.3.13)不难给出▏Q′I=Co(VGB-ψs),因而相似性成立。

现在增加image.pngDB,如图4.15c所示,因而image.pngDS=image.pngDB-image.pngSB变为正的。此时可观察到如图中所示的液体流动。距离image.pngimage.pngSB单调地变化到image.pngDB。随着image.pngDB进一步增加,液流不断增加,直到image.pngDB变得大于image.pngGB,即image.pngDS>image.pngGS,如图4.15d所示。这种情况与晶体管的VDS>VGS-VT=VGS-0=VDS 情况相对应。于是,进一步增加image.pngDS将不再影响液流,也就是说,液流呈现“饱和”状态。注意,流体从源端慢慢地进入沟道,随着它向漏端靠近,运动越来越快以保持固定的流量,因为靠近漏端处单位面积的流体总量变小了。这一点也和对晶体管工作在饱和区的简化描述存在着相似性。

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我们将会看到,这种流体动态模拟还可进一步对电荷运动提供直观知识,这一点将在第7章中讨论。.

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