微电子器件(53).ppt

5.3 5.3 MOSFETMOSFET 的直流电流电压方程的直流电流电压方程 以 N 沟道 MOSFET 为例，推导 MOSFET 的 ID ~ VD 方程 ID VD 推导时采用如下假设推导时采用如下假设 ① 沟道电流只由漂移电流构成，忽略扩散电流； ② 采用缓变沟道近似，即 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 感应出来而与 无关； 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 ③ 沟道内的载流子（电子）迁移率为常数； ④ 采用强反型近似，即认为当表面少子浓度达到体内平衡 多子浓度（也即 S = S,inv ）时沟道开始导电； ⑤ QOX 为常数，与能带的弯曲程度无关 当在漏极上加 VD VS 后，产生漂移电流， 式中， 代表沟道内的电子电荷面密度 1 1、漏极电流的一般表达式、漏极电流的一般表达式 （5-36） （5-37） （5-36） 当 VG VT 后，沟道中产生的大 量电子对来自栅电极的纵向电场起到 屏蔽作用，所以能带的弯曲程度几乎 不再随 VG 增大 ，表面势 S 也几乎维 持 S,inv 不变。

于是， 2 2、沟道电子电荷面密度、沟道电子电荷面密度 Q Qn n QA QM Qn 当外加 VD ( VS ) 后，沟道中将产生电势 V (y)，V (y) 随 y 而 增加 ，从源极处的 V (0) = VS 增加到漏极处的 V (L) = VD 这样 S,inv 、xd 与 QA 都成为 y 的函数，分别为 将上面的 S,inv 和 QA 代入沟道电子电荷面密度 Qn 后，可知 Qn 也成为 y 的函数，即 下面对上式进行简化 3 3、漏极电流的精确表达式、漏极电流的精确表达式 并经积分后得 将上式代入式（5-37） （5-37） 将 Qn 中的 在 V = 0 处用级数展开， 当只取第一项时， 当 VS = 0 ，VB = 0 时，可将 VD 写作 VDS ，将 VG 写作 VGS ，则 Qn 成为： 4 4、漏极电流的近似表达式、漏极电流的近似表达式 将此 Qn 代入式（5-37）的 ID 中，并经积分后得 （5-50） 再将 写作 ，称为 MOSFET 的 增益因子增益因子，则 式（5-51）表明，ID 与 VDS 成 抛物线关系抛物线关系，即 式（5-51）只在抛物线的左半段有物理意义。

IDsat ID VDSVDsat0 （5-51） 此时所对应的漏极电流称为 饱和漏极电流饱和漏极电流 I I DsatDsat ， 这一点正好是抛物线的顶点所以 VDsat 也可由令 而解出 由 Qn 的表达式可知，在 y = L 的漏极处， 可见 | Qn(L) | 是随 VDS 增大而减小的当 VDS 增大到被称为 饱和漏源电压饱和漏源电压 的 V V DsatDsat 时，Qn (L) = 0 ，沟道被夹断 沟道被夹断显然， （5-52） （5-53） 对于 P 沟道 MOSFET，可得到类似的结果， 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 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 将 代入式（5-36），得 （5-56） 令上式与式（5-51） 将上式沿沟道积分，可解得沟道中沿 y 方向的电势分布 V( y ) 为 相等，得到一个微分方程， 式中， 对 V( y ) 求导数可得到沟道中沿 y 方向的电场分布 Ey( y ) 为 当 VDS = VDsat 时，η = 0，yeff = L ，沟道电势分布和沟道电场分 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 当在 级数展开式中取前两项时，得 经类似的计算后可得： 式中， 以上公式与不对 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 当 VDS VD sat 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 ID 保持 IDsat 不变，即从抛物线顶点以水平方向朝右延伸出去 以不同的 VGS 作为参变量，可得到一组 ID ~ VDS 曲线，这就 是 MOSFETMOSFET 的输出特性曲线的输出特性曲线 但是实测表明，当 VDS VDsat 后，ID 随 VDS 的增大而略有 增大，也即 MOSFET 的增量输出电阻 不是无穷大 而是一个有限的值 通常采用两个模型来解释 ID 的增大 当 VDS VDsat 后，沟道中满足 V = VDsat 和 Qn = 0 的位置向左 移动 L，即 1 1、有效沟道长度调制效应、有效沟道长度调制效应 已知当 VDS = VDsat 时，V (L) = VDsat ，Qn (L) = 0 这意味着有效沟道长度缩短了 L 0y VDsat V(y ) L ① ② ③ 图中，曲线 ① 代表 VDS VDsat 而 V ( L - L ) = VDsat 。

VDS VDsat 后，可将 VDS 分为两部分，其中 VDsat 降在有效 沟道长度 (L - L) 上，超过 VDsat 的部分 (VDS - VDsat ) 则降落在 长度为 L 的耗尽区上根据耗尽区宽度公式可计算出 L 为 由于 ，当 L 缩短时，ID 会增加 若用 I’Dsat 表示当 VDS VDsat 后的漏极电流，可得 当 L 较长或 NA 较大时， 较小 ，电流的增加不明显 ， rds 较大 ；反之，则电流的增加较明显，rds 较小 对于 L 较短及 NA 较小的 MOSFET，当 VDS VD sat 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 CdCT，当 VDS 增加 VDS 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 。