5-3 MOSFET 的直流电流电压方程.pdf

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1、5.3MOSFET的直流电流电压方程以N沟道MOSFET为例，推导MOSFET的ID~VD方程VDID5.3.1非饱和区直流电流电压方程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垂直电场与水平电场是互相独立的采用缓变沟道近似，即：22EExy

2、

3、

4、

5、,或22xyxyE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xxEy感应出来而与无关；yVD附：泊松方程ExEyEzExyzs③沟道内的载流子（电子）迁移率为常数；④采用

6、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；⑤QOX为常数，与能带的弯曲程度无关。1、漏极电流的一般表达式当在漏极上加VD>VS后，产生漂移电流，dVJqnEqnnnyndybdVdVIDZnqndxZnQn（5-36）0dydyb式中，Q(qn)dx代表沟道内的电子电荷面密度。n0dVIDZnQn（5-36）dyIdyZQdVDnnLVDIdyZQdVDnn0VSZVDIQdV（5-37）Dnn

7、LVS2、沟道电子电荷面密度QnQQQnSAQQMACVQOXOXAC（VVV）QOXGBFBSA当VG>VT后，沟道中产生的大QM量电子对来自栅电极的纵向电场起到Qn屏蔽作用，所以能带的弯曲程度几乎QA不再随VG增大，表面势S也几乎维持S,inv不变。于是，QC（VVV）QnOXGBFBS,invA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

8、，分别为S,inv()y2FPVBVy122sxyd()2FPVBVy()qNA1Q()yqNx2qN2VVy()2AAdsAFPB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1Q(y)CVV2V(y)2qN2VV(y)2nOXGFBFPsAFPB3、漏极电流的精确表达式将Qn代入式（5-37）ZVDIQdVDnnLVS并经积分后得122VV2

9、VVVVGFBFPDSDSZ2IDnCOX1L22qN233sA2VV22VV23CFPBDFPBSOX下面对上式进行简化。4、漏极电流的近似表达式1将Qn中的2FPVBV(y)2在V=0处用级数展开，11V2VV(y)22V2FPBFPB122V2FPB当只取一项时，112VV(y)22V2FPBFPB当VS=0，VB=0时，可将VD写作VDS，将VG写作VGS，则Q

10、n成为：1Q(y)CVV2V(y)2qN22nOXGSFBFPsAFP12qN22C(VV2V(y)sAFPOXGSFBFPCOXC[VVV(y)]（5-50）OXGST将此Qn代入式（5-37）的ID中，并经积分后得ZVDSICVVV(y)dVDnOXGSTL0Z12C(VV)VVnOXGSTDSDSL2Z再将C写作，称为MOSFET的增益因子，则nOXL12I(VV)VV（5-51）D

11、GSTDSDS2式（5-51）表明，ID与VDS成抛物线关系，即IDIDsat0VDsatVDS式（5-51）只在抛物线的左半段有物理意义。由Qn的表达式可知，在y=L的漏极处，Q(L)CVVVnOXGSTDS可见

12、Qn(L)

13、是随VDS增大而减小的。当VDS增大到被称为饱和漏源电压的VDsat时，Qn(L)=0，沟道被夹断。显然，VDsatVGSVT（5-52）此时所对应的漏极电流称为饱和漏极电流IDsat，1212IDsat(VGSVT)VDsatVDsatVG

14、SVT（5-53）22dID这一点正好是抛物线的顶点。所以VDsat也可由令0dVDS而解出。当VDS>VDsat后，简单的处理方法是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MOSFET的输出特性曲线。对于P沟道MOSFET，可得类似的结果，12I(VV)VVDGSTDSDS2VVVDsatGST