MOS晶体管准静态工作原理及其定义解析

考虑图7.2所示的一虚构器件，为了强调只研究器件的本征部分，图中略去了源和漏。这器件由四个直流电压VD、VG、VB和VS驱动，这些电压定义为相对于用接地符号表示的任意参考点。四个直流电流ID、IG、IB和IS定义为流进器件，如图所示。我们已知，电流的流动是由反型层中电子的传输引起的(假定是n沟器件)，若定义传输电流(或称“传导”电流)的流动是由漏经沟道到源，并用IT表示，则有

这里略去了绝缘体中极小的漏电流和耗尽层中很小的漏电流。我们已导出了几种IT的表达式，它们都可以写成如下的一般形式：

其中hT（）是一合适的函数，它取决于描述器件直流特性的模型。这样的模型已在第4章中讨论过了。

在前面几章中，我们已研究了反型层、栅和耗尽区的单位面积电荷（Q´I、Q´G和Q´B）这些量一般说来和沿沟道方向的位置x有关。我们现在需确定对应的总电荷QI、QG和QB。以QI为例，沿沟道方向位置x处，宽为W长为Δx的一小块反型层含有电荷Q´I（W•Δx）此处的Q´I取决于x。这样，反型层的总电荷为：

与此类似，有

我们将在7.4节中计算这些积分值。而现在只指出，可能如我们所期待的那样，最后结果是电荷依各端电压而定：

    QG和QB可认为是“存储”在器件中的电荷，但对QI的解释需小心一些。QI是由反型层中的电子所形成的，这些电子不是真正存储在器们中，它们由源进入反型层，最终经漏离开反型层，并不断地被从源进入的新的电子所取代。QI仅仅是任意给定时刻恰巧在反型层中的电子的总电荷。尽管在不同时刻形成QI的“各个电子”是不同的。但在图7.2中，QI这个量总是恒定不变的。

现在允许端电压随时间变化。所有随时间变化的量都用带大写下标的小写符号表示，如图7.3所示。

假设端电压的变化足够慢，使得器件按准静态工作，其基本意思如下；  令υD(t)、υG(t)、υB(t)和υS(t)为变化的端电压，然后假设在任意位置、任意时刻t´单位面积电荷与施加直流电压[即VD=υD(t´)，VG=υG(t´)，VB=υB(t´)以及VS=υS((t´)]时的单位面积电荷相同,这样，总电荷qI、qG和qB仍可用式（7.2.3）求出，即以下面各式给出

其中fI、fG和fB表示的函数与式（7.2.4）中的函数相同。   

 凭直觉可知，如果端电压变化太快，上述假设就不适用了。例如，若其中之一为阶跃波形，则由于电荷将表现出惯性，因而不能期望它能立即自我调整。在本节和下面几节中将不考虑这种情形，而我们所考虑的是假设端电压变化足够慢，从而准静态近似成立的情况。准静态近似成立的限制条件及在极端情况下不适用的原因将在7.6节中讨论。非准静态分析将在7.7节加以研究。

    利用4.4.5节中介绍的流体动态模拟，可获得准静态近似的直观知识。考虑图7.4所示情况，假设活塞正在移动，并令为它在参考面以下的深度。若活塞移动得足够慢，在任意时刻t’，流体的分布实际上好象是持久地稳定在值时那样。于是，准静态近似就适用于流体动态模拟，显然，若变化很快，由于流体没有足够的时间来调节自己的状态，情况就不再来是这样了。当变化时，类似的论述也正确。

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