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一、写在前面的几个概念:

①输出特性曲线:固定 VGS 值,且数值大于阈值电压时,MOS 晶体管的源漏电流 IDS 随 VDS 的变化曲线。
②阈值电压 Vth:当半导体层处于临界反型时,施加在 MOS 管栅电容两端的电压值。
③输出电流电压关系表达式:

二、特性曲线各区详解

线性区:当源漏电压 VDS 较小,栅源电压 VGS 和栅漏电压 VGD 的值均远大于 Vth,此时整个沟道中的各处电子均匀的分布,在沟道中各点电位是从漏端到源端逐渐降低,栅极与沟道层各点的压差始终大于 Vth,因此沟道层始终处于反型状态。同时沟道层与衬底形成的耗尽层宽度是逐渐减小的(PN 结两端反偏电压越大,耗尽层宽度越大,图中粉色斜杠部分为耗尽层)。随着 VD 的增大,
饱和区:继续增大 VD,当其增大到与栅极电压 VG 的压差 VGD=Vth 时,漏端和衬底的接触点正好处于反型为 N + 沟道的临界点 A。继续增大 VD,会导致 VGD<Vth,对应处的沟道不会发生反型,此时沟道的夹断点会移动,在新的夹断位置 A 处的电压 VA 满足条件: VG-VA=Vth,沟道中各点电位均小于 VA,因此从 A 点到 S 点的中间的沟道均处于反型状态,从而形成沟道。即使 VD 的值一直增大,增大的电压部分会落到耗尽层上,即漏端 - 临界点位的电压差 VDA 会一直增大,那么耗尽层的宽度会逐渐变宽,临界点 A 点会逐渐向源端移位,但是 VA 和 VS 之间的电压是恒定的,那么流过沟道中的电流基本是不变的。
一、重要参数
转移特性曲线: 固定 VDS 值,MOS 晶体管的源漏电流 IDS 随栅源电压 VGS 的变化曲线。
阈值电压的提取方法:
①恒电流法: 在转移特性曲线上取电流 I =W/L*100E- 9 时的栅极电压。
②曲线外推法:根据饱和区源漏电流与栅源电压的关系式,


取晶体管处于饱和区时较大的 VDS 值,如 15V, 使晶体管处于饱和区,做 Sqrt(ID)-VGS 的曲线,反向延长该曲线,其与 X 轴的交点即为阈值电压。
迁移率的提取方法: 根据线性区源漏电流的表达式,取 VDS 为较小的值,如 0.1V 时,做 ID-(VGS-Vth)的曲线,求该曲线的斜率,即可求出迁移率 μn 的值。

二、特性曲线各区详解

截止区:图中绿色虚线框选区域为 NMOS 管工作截止区,此时 MOS 管未开启,负压 Vgs 越大,漏电流越大。这并不是常规理解的 MOS 管栅极电压越高,管子关的越彻底,漏电流越小,造成这种反常现象的其一原因是 GIDL(Gate Induced Drain Leakage), 即栅极与漏极之间的交叠导致的栅极漏电,栅压越强,漏电越大。其二原因是栅极负电压增大导致沟道表层空穴增多,p 型属性增强,沟道层与漏端组成的 PN 结反偏电流增大,从而关态漏电流增加。
亚阈值区:Vgs<Vth, 沟道逐渐开启,MOS 管进入弱反型状态,电流开始急剧增加。 其中有个比较关键的指标,亚阈值摆幅 (SS),它表示漏极电流变化一个数量级所需的栅极电压增量,较好性能的 MOS 管其 SS 值应较小,即较小 SS 就可以引起一个数量级漏极电流的增加。工作定义:VD=0.1V 时,Ids 从 W /L*1E-10 至 W /L*1E- 9 的栅电压变化量。

线性区和饱和区:Vg>>Vt 时,反型层厚度不断加厚,导电性能不断增加。