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行業(yè)新聞
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2020-09
22
「科普」為什么MOS管飽和區(qū)溝道夾斷了還有電流?
MOS管就像開關(guān),柵極(G)決定源極(S)到漏極(D)是通還是不通。
以NMOS為例,下圖中綠色代表(N型)富電子區(qū)域,黃色代表(P型)富空穴區(qū)域。P型和N型交界處會(huì)有一層耗盡層分隔(也叫空間電荷區(qū),如圖中白色分界所示)。VT是開關(guān)的閾值,超過閾值就開,低于閾值就開不了。柵電壓越大,下面感應(yīng)出來的電子越多,形成的溝道越寬。柵與溝道之間有氧化層隔離。在源漏沒有電壓時(shí)溝道寬窄是一樣的,這很好理解。



柵壓產(chǎn)生溝道決定MOS管源漏之間通不通


 

當(dāng)漏極電壓升高,柵極靠近漏極的相對(duì)電壓就小,因此溝道受其影響寬窄不同。由于電流是連續(xù)的,所以窄的地方電流密度大,這也好理解,如下圖所示。這是源漏電流IDS是隨其電壓VDS增大而線性增大的“線性區(qū)”。


溝道寬窄受兩端電壓影響(線性區(qū))


 

要注意的是,這時(shí)柵極電壓絕對(duì)值并沒有降低,靠近漏極溝道變窄的原因,是柵極的影響力部分被漏極抵消了。一部分本來可以柵吸引形成溝道的電子,就被漏極正電壓拉過去了。

當(dāng)漏極電壓繼續(xù)升高,如果超過柵電壓,造成溝道右邊不滿足開通條件而“夾斷”。之所以出現(xiàn)夾斷點(diǎn),是因?yàn)樵谶@個(gè)點(diǎn),柵極對(duì)電子的吸引力被漏極取代。這時(shí)候MOS管進(jìn)入“飽和區(qū)”,電流很難繼續(xù)隨電壓增大。

很多同學(xué)理解不了既然這時(shí)候溝道夾斷了,不是應(yīng)該截止了嗎?為什么還會(huì)繼續(xù)有電流?

原因是雖然理論上溝道已經(jīng)“夾斷”,但這個(gè)夾斷點(diǎn)很薄弱。為什么說它薄弱?因?yàn)閵A斷點(diǎn)后面支撐它的不是原來P型區(qū)域,而是電壓升高更吸引電子的漏極及其空間電荷區(qū)。因此電子沖入空間電荷區(qū),就相當(dāng)于幾乎沒有阻擋的“準(zhǔn)自由電子”快速被漏極收集。如下圖所示。


溝道“夾而不斷”(飽和區(qū))


 

可以想象,隨著靠近漏極的溝道越來越細(xì),很多高速的電子沖過來,一部分?jǐn)D過夾斷點(diǎn)進(jìn)入空間電荷區(qū),然后被漏極正電場(chǎng)高速收集(形成示意圖中紫色電流)。漏極電壓越高,夾斷點(diǎn)越后退,造成電子越難穿越,因此飽和區(qū)電流不再隨電壓增大而線性增大,畢竟不是所有電子都能沖過夾斷點(diǎn)。源漏電流電壓曲線如下圖所示。




電流電壓曲線
用水槍比喻就很好理解:在水管水流很急時(shí),試圖用薄片擋住是很難的,水流會(huì)呲過阻擋形成噴射,噴口越細(xì)噴射越急,如下圖所示。因此“夾斷”這個(gè)詞容易引起誤解,實(shí)際應(yīng)該是“夾而不斷”,電流只是被限制而非截止。



 
薄片很難擋住水槍噴射
當(dāng)然,如果漏極的電壓繼續(xù)上升,它的空間電荷區(qū)持續(xù)擴(kuò)張達(dá)到源極,那么源極的電子就會(huì)不受溝道和柵壓的控制,直接經(jīng)過空間電荷區(qū)高速到達(dá)漏極,這就是源漏直接穿通了,這時(shí)MOS管的開關(guān)功能也就作廢了。