MOS场效应晶体管的工作原理及静态特性分析

为了讨论MOS场效应晶体管的工作原理，我们假定它有图1.4所示的简单结构。以N沟道的情形为例，当栅极加正电压时，垂直于硅表面方向的电势关系如图1.5所示。与栅极上感生的正电荷相对应的负电荷，除了在硅表面感生的电子之类的负电荷以外，还有在P型硅材底表面形成的空间电荷层中的受主离子之类的负空间电荷。首先，在此处忽略受主离子所形成的空间电荷的影响，认为与栅极感生的正电荷相对应的负电荷只有在硅表面感生的电子所形成的负电荷。MOS场效应管的工作原理。当感生的载流子密度很大，即栅电压很大时，这种近似可以较好地成立，而随着栅电压的降低，这种近似就逐渐不成立了。

在图1.4所示的结构中，由源向漏的方向取作χ轴，栅的长度记作L，宽度记作W。当向栅极和漏极分别加上以源极为基准的电压VGs和VDS时，沟道内某点χ处的沟道电势记作N（χ），则按照上节所述的理由，等效的栅电压为（VGs一фMS+Vs'）。二氧化硅膜夹在导体之间形成的单位面积电容记作C1，则可得下列关系式

此时的漏电流如记作IDS，沟道内χ方向的电场强度如记作

Eχ，则有

式中是沟道内电子的漂移迁移率，它与硅晶体的体内值不同，并且随栅电压而变化。在本节的讨论中，我们姑且把沟道迁移率视作不同于晶体体内值的常数。沟道内χ方向的电场强度与沟道电势之间有下述关系

所以式（1.11）可写作

由于IDS是流过沟道的总电流，按照电流的连续性原理，IDS是与χ无关的恒定值，所以式（1.13）可直接积分，并得下式

即有

这里，由源向漏流动的方向取作IDS的正向。如由漏向源流动的方向取作正向，则按所谓漏电流的意义，将它写作ID，则上式变为

这就是MOS场效应晶体管直流伏安特性的表达式。

为使式（1.16）成立，式（1.10）中的N（χ）当然不能为零或负值。由于V（χ）介乎0和VDS之间，若

则N（χ）不管处于沟道内何处，其值均为正，所以式（1.16）一定成立。可以说，式（1.17）是式（1.16）成立的必要条件。

此时，我们再考虑如式（1.17）不成立时会发生怎样的情形。首先，我们试在式（1.17）成立的区域内加大VDS，使VGs-фMs+Vs'-VDS逐渐趋近于零。此时漏电流逐渐趋近于

看起来似乎没有什么特殊的表现，但如计算VDS有微小变化时的ID的变化量，即漏电导gDD时，由式（1.16）得到

我们知道此式有这样的特点，即，随着VDS趋近于（Vos-фMs+Vs'），gDD就趋近于零。

进一步增加VDS，使Vos-фMs+Vs'<VDs，则式（1.19）变为gDD<0，但此区域已越出式（1.16）成立的范围，所以这个结论是不正确的。事实上，根据实验结果gDD也不会变负，而是继续取较小的正值，因此在进行粗略的讨论时，当VGS-фMs+Vs'VDS时，完全可以用VGSфMs+Vs'=VDS时的数值来表示。MOS场效应管的工作原理。也就是说，对gDD而言，在VGS-фMs+Vs'VDS时，取gDD=0。根据这样的考虑，整个VDS区域的伏安特性如图1.6所示。

图上的VP，系按下式定义的电压，称为夹断电压（pinch off Voltage）。

这就是当VDS=0时，如VGS=VP，则沟道的厚度恰好变成零，恰如自来水管夹扁时的情况。

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