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【大象讲堂04】为什么MOS管饱和区沟道夹断了还有电流?

本主题由 大象 于 2020-3-22 07:36 加入精华

【大象讲堂04】为什么MOS管饱和区沟道夹断了还有电流?

MOS管就像开关。栅极(G)决定源极(S)到漏极(D)是通还是不通。以NMOS为例,图1中绿色代表(N型)富电子区域,黄色代表(P型)富空穴区域。P型和N型交界处会有一层耗尽层分隔(也叫空间电荷区,如图中白色分界所示)。VT是开关的阈值,超过阈值就开,低于阈值就开不了。栅电压越大,下面感应出来的电子越多,形成的沟道越宽。栅与沟道之间有氧化层隔离。在源漏没有电压时沟道宽窄是一样的,这很好理解。
图1. 栅压产生沟道决定MOS管源漏之间通不通

当漏极电压升高,栅极靠近漏极的相对电压就小,因此沟道受其影响宽窄不同。由于电流是连续的,所以窄的地方电流密度大,这也好理解,如图2所示。这是源漏电流IDS是随其电压VDS增大而线性增大的“线性区”。


图2. 沟道宽窄受两端电压影响(线性区)

要注意的是,这时栅极电压绝对值并没有降低,靠近漏极沟道变窄的原因,是栅极的影响力部分被漏极抵消了。一部分本来可以栅吸引形成沟道的电子,就被漏极正电压拉过去了。

当漏极电压继续升高,如果超过栅电压,造成沟道右边不满足开通条件而“夹断”。之所以出现夹断点,是因为在这个点,栅极对电子的吸引力被漏极取代。这时候MOS管进入“饱和区”,电流很难继续随电压增大。

很多同学理解不了既然这时候沟道夹断了,不是应该截止了吗?为什么还会继续有电流?

原因是虽然理论上沟道已经“夹断”,但这个夹断点很薄弱。为什么说它薄弱?因为夹断点后面支撑它的不是原来P型区域,而是电压升高更吸引电子的漏极及其空间电荷区。因此电子冲入空间电荷区,就相当于几乎没有阻挡的“准自由电子”快速被漏极收集。如图3所示。

图3. 沟道“夹而不断”(饱和区)

可以想象,随着靠近漏极的沟道越来越细,很多高速的电子冲过来,一部分挤过夹断点进入空间电荷区,然后被漏极正电场高速收集(形成示意图中紫色电流)。漏极电压越高,夹断点越后退,造成电子越难穿越,因此饱和区电流不再随电压增大而线性增大,毕竟不是所有电子都能冲过夹断点。源漏电流电压曲线如图4所示。


图4. 电流电压曲线

用水枪比喻就很好理解:在水管水流很急时,试图用薄片挡住是很难的,水流会呲过阻挡形成喷射,喷口越细喷射越急,如图5所示。因此“夹断”这个词容易引起误解,实际应该是“夹而不断”,电流只是被限制而非截止。


图5. 薄片很难挡住水枪喷射

当然,如果漏极的电压继续上升,它的空间电荷区持续扩张达到源极,那么源极的电子就会不受沟道和栅压的控制,直接经过空间电荷区高速到达漏极,这就是源漏直接穿通了,这时MOS管的开关功能也就作废了。

(大象 20200323 xyhan5151@qq.com)
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