为什么MOS管饱和区沟道夹断了还有电流？
时间：2023-03-04来源：佚名
|
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。 |
