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微电子器件微电子器件(5-3)推导时采用如下假设推导时采用如下假设推导时采用如下假设推导时采用如下假设 沟道电流只由漂移电流构成，忽略扩散电流；沟道电流只由漂移电流构成，忽略扩散电流；采用缓变沟道近似，即采用缓变沟道近似，即这表示沟道厚度沿这表示沟道厚度沿 y 方向的变化很小，沟道电子电荷全部由方向的变化很小，沟道电子电荷全部由感应出来而与感应出来而与 无关；无关；附：泊松方程附：泊松方程 VD 5.3.1 5.3.1 非饱和区直流电流电压方程非饱和区直流电流电压方程非饱和区直流电流电压方程非饱和区直流电流电压方程 将将 Qn 中的中的 在在 V=0 处用级数展开，处用级数展开，当只取第一项时，当只取第一项时，当当 VS=0，VB=0 时，可将时，可将 VD 写作写作 VDS，将，将 VG 写作写作 VGS，则，则 Qn 成为：成为：4 4、漏极电流的近似表达式、漏极电流的近似表达式、漏极电流的近似表达式、漏极电流的近似表达式 将此将此 Qn 代入式（代入式（5-37）的）的 ID 中，并经积分后得中，并经积分后得（5-50）再将再将 写作写作 ，称为称为 MOSFET 的的 增益因子增益因子增益因子增益因子，则则 式（式（5-51）表明，）表明，ID 与与 VDS 成成 抛物线关系抛物线关系抛物线关系抛物线关系，即，即 式（式（5-51）只在抛物线的左半段有物理意义。）只在抛物线的左半段有物理意义。IDsatIDVDSVDsat0（5-51）此时所对应的漏极电流称为此时所对应的漏极电流称为 饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流 I IDsatDsat ，这一点正好是抛物线的顶点。所以这一点正好是抛物线的顶点。所以 VDsat 也可由令也可由令而解出。而解出。由由 Qn 的表达式可知，在的表达式可知，在 y=L 的漏极处，的漏极处，可见可见|Qn(L)|是随是随 VDS 增大而减小的。当增大而减小的。当 VDS 增大到被称为增大到被称为饱和漏源电压饱和漏源电压饱和漏源电压饱和漏源电压 的的 V VDsatDsat 时，时，Qn(L)=0，沟道被夹断沟道被夹断沟道被夹断沟道被夹断。显然，。显然，（5-52）（5-53）对于对于 P 沟道沟道 MOSFET，可得到类似的结果，可得到类似的结果，式中，式中，以上公式虽然是近似的，但因计算简单，在许多场合得到以上公式虽然是近似的，但因计算简单，在许多场合得到了广泛的应用。了广泛的应用。5 5、沟道中的电势和电场分布、沟道中的电势和电场分布、沟道中的电势和电场分布、沟道中的电势和电场分布 将将 代入式（代入式（5-36），得），得（5-56）令上式与式（令上式与式（5-51）将上式沿沟道积分，可解得沟道中沿将上式沿沟道积分，可解得沟道中沿 y 方向的电势分布方向的电势分布 V(y)为为相等，得到一个微分方程，相等，得到一个微分方程，式中，式中，对对 V(y)求导数可得到沟道中沿求导数可得到沟道中沿 y 方向的电场分布方向的电场分布 Ey(y)为为 当当 VDS=VDsat 时，时，=0，yeff=L，沟道电势分布和沟道电场分，沟道电势分布和沟道电场分布分别成为布分别成为 （5-59）（5-60）6 6、漏极电流的一级近似表达式、漏极电流的一级近似表达式、漏极电流的一级近似表达式、漏极电流的一级近似表达式 当在当在 级数展开式中取前两项时，得级数展开式中取前两项时，得 经类似的计算后可得：经类似的计算后可得：式中，式中，以上公式与不对以上公式与不对 做简化的精确公式已极为接近。做简化的精确公式已极为接近。5.3.2 5.3.2 饱和区的特性饱和区的特性饱和区的特性饱和区的特性当当 VDS VD sat 后，漏极电流主要决定于源区与夹断点之间后，漏极电流主要决定于源区与夹断点之间的电子速度，受夹断区域的影响不大，所以可以简单地假设的电子速度，受夹断区域的影响不大，所以可以简单地假设 ID保持保持 IDsat 不变，即从抛物线顶点以水平方向朝右延伸出去。不变，即从抛物线顶点以水平方向朝右延伸出去。以不同的以不同的 VGS 作为参变量，可得到一组作为参变量，可得到一组 ID VDS 曲线，这就曲线，这就是是 MOSFETMOSFET 的输出特性曲线的输出特性曲线的输出特性曲线的输出特性曲线 。但是实测表明，当但是实测表明，当 VDS VDsat 后，后，ID 随随 VDS 的增大而略有的增大而略有增大，也即增大，也即 MOSFET 的增量输出电阻的增量输出电阻 不是无穷大不是无穷大而是一个有限的值。而是一个有限的值。通常采用两个模型来解释通常采用两个模型来解释 ID 的增大。的增大。当当 VDS VDsat 后，沟道中满足后，沟道中满足 V=VDsat 和和 Qn=0 的位置向左的位置向左移动移动 L，即，即 1 1、有效沟道长度调制效应、有效沟道长度调制效应、有效沟道长度调制效应、有效沟道长度调制效应 已知当已知当 VDS=VDsat 时，时，V(L)=VDsat，Qn(L)=0。这意味着有效沟道长度缩短了。这意味着有效沟道长度缩短了。L0yVDsatV(y)L图中，曲线图中，曲线 代表代表 VDS VDsat 而而 V(L-L)=VDsat。VDS VDsat 后，可将后，可将 VDS 分为两部分，其中分为两部分，其中 VDsat 降在有效降在有效沟道长度沟道长度(L-L)上，超过上，超过 VDsat 的部分的部分(VDS-VDsat)则降落在则降落在长度为长度为 L 的耗尽区上。根据耗尽区宽度公式可计算出的耗尽区上。根据耗尽区宽度公式可计算出 L 为为 由于由于 ，当，当 L 缩短时，缩短时，ID 会增加。会增加。若用若用 IDsat 表示当表示当 VDS VDsat 后的漏极电流，可得后的漏极电流，可得 当当 L 较长或较长或 NA 较大时，较大时，较小较小，电流的增加不明显，电流的增加不明显，rds 较大较大；反之，则电流的增加较明显，；反之，则电流的增加较明显，rds 较小。较小。对于对于 L 较短及较短及 NA 较小的较小的 MOSFET，当，当 VDS VD sat 后，耗尽后，耗尽区宽度接近于有效沟道长度，这时从漏区发出的电力线有一部区宽度接近于有效沟道长度，这时从漏区发出的电力线有一部分终止于沟道上，使沟道电子的数量增多，从而导致电流增大。分终止于沟道上，使沟道电子的数量增多，从而导致电流增大。可以把此看作是在漏区与沟道之间存在一个电容可以把此看作是在漏区与沟道之间存在一个电容 CdCT，当，当 VDS 增加增加 VDS 时，沟道区的电子电荷面密度的增量为时，沟道区的电子电荷面密度的增量为 2 2、漏区静电场对沟道的反馈作用、漏区静电场对沟道的反馈作用、漏区静电场对沟道的反馈作用、漏区静电场对沟道的反馈作用结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！26