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以NMOS晶體管為例,闡明MOS的工作原理特征

信息來(lái)源:本站 日期:2017-08-15 

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MOS晶體管的工作原理       

首先討論將柵極與源極短路、接地(VGS=OV)時(shí)的狀況。如圖1.9所示的MOS晶體管。這種狀態(tài)下,雖然漏極上加電壓VDS,但是在漏極—源極間簡(jiǎn)直沒(méi)有電流流過(guò)。為什么?如圖1.10所示,這是由于此時(shí)的漏極與源極間能夠等效為兩個(gè)pn結(jié)二極管反向連接。

mos管

工作原理

1.VGS從0V→漸增加
     當(dāng)柵極—源極間的電壓VGS從0V逐步增加時(shí)(圖1.11),那么在一定電壓下,如圖1. 12所示,在柵氧化膜下面會(huì)構(gòu)成稱(chēng)為溝道的n型化的區(qū)域,即構(gòu)成n型反型層。這個(gè)溝道就是將源區(qū)與漏區(qū)l連接起來(lái)的電子通路。這時(shí)如圖1.12所示,當(dāng)漏極加電壓VDS時(shí),漏極—源極間就有電流流過(guò),該電流叫做漏極電流。把構(gòu)成溝道所必需的柵極—源極間的電壓叫做閾值電壓VT,關(guān)于Si MOS晶體管來(lái)說(shuō),大約是0.6V。用VTN、VTP分別表示NMOS晶體管和PMOS晶體管的闞值電壓。柵極—源極間所加電壓VGS高于閾值電壓VT構(gòu)成溝道的狀態(tài)稱(chēng)為強(qiáng)反型狀態(tài)(strong inversion)。    

2.當(dāng)VGS大于VT,VDS增加時(shí)
    在堅(jiān)持VGS大于VT前提下,VDS逐步從OV增大時(shí),如圖1.13(a)所示,漏極電流ID也在增加。這時(shí)的漏極電流表達(dá)式由下式給出:

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式中,W是MOS晶體管的溝道寬度;L是MOS晶體管的溝道長(zhǎng)度。w與L都是重要的參數(shù),溝道寬度W和長(zhǎng)度L如何肯定是晶體管設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題,這里首先需求留意的是,漏極電流ID與溝道寬度W成比例,而與溝道長(zhǎng)度L成反比。

基礎(chǔ)參數(shù)

3.決議電學(xué)特性的其他參數(shù)

  我們?cè)賮?lái)看式(1.1)中的其他參數(shù)。μ是載流子遷移率,在NMOS與PMOS中分別是電子和空穴的遷移率,用μn和μp表示。其典型值為

就是說(shuō),PMOS與NMOS的遷移率相差3倍。假如晶體管的電流驅(qū)動(dòng)才能相同,那么NMOS的尺寸大小就只要PMOS的1/3。    
Cox是MOS晶體管單位面積的柵電容,由下式給出:

式中,εox真空介電常數(shù)(8.85X10-14[F/cm]),εox為柵氧化膜的相對(duì)介電常數(shù)(SiO2是3.9);tox是柵氧化膜的厚度。    

式(1.1)表示的漏極電流表達(dá)式適用的條件是VGS>VT,VDS≤VGS-VT。在這個(gè)條件下MOS晶體管的工作區(qū)域稱(chēng)為非飽和區(qū),也叫做線性區(qū)(linear region)    

當(dāng)VDS處于OV左近時(shí),精確地說(shuō),是當(dāng)VDS《2(VGS-VT)時(shí),式(1.1)右邊的第2項(xiàng)能夠疏忽不計(jì),能夠近似為下式:  

 由該式能夠看出,當(dāng)VDS《2(VGS-VT)時(shí),ID與VDS成比例。實(shí)踐上,如圖1.13(b)所示,在VDS接近ov的區(qū)域,能夠看到ID與VDS,成比例地增加。隨著VDS的增大,式(1.1)中的-VDS2/2變得不可疏忽,這時(shí)ID的增加就遲緩了。
    在VGS大于VT的強(qiáng)反型狀態(tài),假如漏極-源極電壓進(jìn)一步增加,到達(dá)VDS=VGS-VT時(shí),漏極電流ID就變?yōu)橄率剑?br />
    在漏極-源極間電壓進(jìn)一步增加的狀況下(也就是VDS>VGS -VT),漏極電(流不再像前面那樣增加,根本上是一定值,其值由式(1.4)給出。這個(gè)工作區(qū)域(VDS>VGS-VT)稱(chēng)為飽和區(qū)。

工作基本原理

    4.模仿電路工作在飽和區(qū)
    圖1. 14示出漏極電流ID與漏極-源極間電壓VDS的關(guān)系。非飽和區(qū)與飽和區(qū)R的分界是

VDS=VDS-VT



    在CMOS模仿電路中,MOS晶體管通常工作在飽和區(qū)(但是,在MOS晶體管作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用的場(chǎng)所,由于漏極—源極間沒(méi)有電位差,即VDS=OV,所以工作在非飽和區(qū))。成為飽和區(qū)與非飽和區(qū)的分界的漏極—源極間電壓VDS十分重要,這里用VGS-VT=VDSsat示。
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    需求指出的是,MOS晶體管的飽和區(qū)相當(dāng)于雙極晶體管中的活性區(qū)或者激活區(qū)( active region),而與雙極晶體管中的飽和區(qū)概念完整不同。


    圖1. 15是以柵極-源極間電壓VGS為參變量的狀況下漏極電流ID與漏極-源極間電壓VDS的關(guān)系。隨著VGS的增加,ID也在增。虛線表示飽和區(qū)與非飽和區(qū)的分界。能夠看出,VGS越高為了使晶體管丁作在飽和區(qū)就需求更大的VDS。

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    再來(lái)討論以柵極-源極間電壓VGS為橫軸時(shí)漏極電流ID的變化。當(dāng)MOS晶體管工作在飽和區(qū)時(shí),由于這時(shí)的ID由式(1.4)給出,所以如圖1.16所示,ID與VGS的關(guān)系是2次方特性。
    取式(1.4)兩邊的平方根,就是
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能夠看出,ID是VGS的一次函數(shù)。圖1.17示出ID與VGS的關(guān)系。從該圖中可以看出,在VGS>VT時(shí),ID是VGS的一次函數(shù)。外插直線與橫軸VGS的交點(diǎn)就是閾值電壓VT。

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