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是什么让MOSFET成为一个电流源的?

21ic电子网  · 公众号  · 半导体  · 2024-10-26 19:23

正文

当VGS>VTH时,MOSFET表现为一个压控电阻。但是,能让MOSFET成为现在集成电路中的翘楚,肯定不只是压控电阻这么简单。
当漏极电压逐够大的时候,MOS管会表现为一个压控电流源,这使得MOSFET可以成为一个放大器。
到底是什么让MOSFET可以成为一个压控电流源的
我觉得是MOSFET的通道夹断效应(channel Pinch-off)。
什么是通道夹断效应?

(1)当栅极和P型衬底接触面之间的电势差大于VTH时,开始形成沟道。如果VD=VS=0时,虽然沟道形成,但是还是没有电流,因此沿着沟道长度处的电势相等。

(2)加大VD的电压,使得VD>0&VG-VD>Vth,沟道中开始有电流形成,而由于沟道电阻的存在,所以沿着沟道长度处的电势是不等的,靠近源极处为0,而靠近漏极处为VD。所以此时,栅极和P型衬底接触面之间的电势差也是不等的,靠近源极处为VG,而靠近漏极处为VG-VD。

(3)继续加大VD的电压,使得VG-VD=Vth,此时在x=L,即漏极处,沟道截止。即产生通道夹断效应。

(4)在继续加大VD的电压,使得VG-VD而在L1与L处则没有通道。

那么,在L1和L之间没有通道了,是不是就没有电流了呢?

答案当然不是啦,要不然MOSFET管就不会像今天这么流行了。

因为漏极是n型掺杂,衬底为P型掺杂,所以漏极和衬底之间有一个PN结,且VD>0, VSUB=0,即n区域的电势高于P区域的电势,即PN结处于反偏状态,所以其存在耗尽区。而耗尽区内的电场,则会把到达沟道截止处的电子吸引过来,保证电子可以继续通过。

但此时,VD不会对电流的大小具有显著影响了,这时MOSFET就表现为一个恒流源。

以上是定性分析,下面可以更进一步,采用定量分析的方法再来看一下,为什么此时MOSFET像个恒流源了呢?

在分析这个问题之前,先来定义几个变量:

  • 变量1:Cox,单位面积下栅极与沟道之间的电容,单位为F/m2

  • 变量2:C,单位长度下栅极与沟道之间的电容,单位为F/m

  • 变量3:V,栅极与沟道之间的电压

  • 变量4:W,栅极的宽度

  • 变量5:L,沟道的长度 

  • 变量6:Q,单位长度下沟道中的自由电子,即电荷密度,单位为 Q/m

  • 变量7:v,电荷的移动速度

开始公式推导之旅:

C=W*Cox

V=VGS-VTH(因为当VGS

V(x)=VGS-V(x)-VTH(因为沟道电势随位置变化,在源极V(x)=0)

Q(x)=C*V(x)=WCox(VGS-V(x)-VTH),沟道上的电荷密度

I=dQ/dt=v*dt*Q(x)/dt=v*Q(x)

因为沟道中的电流,主要是在电场作用下移动,所以属于漂移电流,因此:

可以得到以下公式:

而ID在通道中,是恒定的,因为电子也没啥地方可去,只能从源极跑到漏极。

所以:

当VDS

当VDS>VGS-VTH时,为饱和区域。

不过在线性区域处,还存在一个深度线性区域,即VDS<<2(VGS-VTH),此时:

即对于固定的VGS,ID与VDS呈线性关系,即MOS管表现为一个简单的线性电阻。

由于通道长度调制效应,饱和区的本来平坦的直线会微微上翘。这是因为当沟道夹断效应发生后,L1在某种程度上,也会受VDS的影响,即VDS越大,L1会变小,但是变小的程度不大。

所以,当VDS变大时,ID也会有一定程度的变大。

此时,不再是∞,不过由于ID-VDS的斜率不高,所以输出电阻还是比较大。

来源:加油射频工程师

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