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MOS管的特性也能用和双极型晶体管一样的I-V曲线来说明。.25中画的是增强型NMOS的典型曲线。这些曲线中source和backgate是接在一起的。纵坐标衡量的是drain电流ID,而横坐标衡量的是drain对source的电压VDS。每条曲线都代表了一个特定的GATE对SOURCE电压VGS。.21中是相似的双极型晶体管的特性曲线,但是MOS管的曲线是通过调节GATE电压得到的,而双极型晶体管的曲线是通过调节基极电流得到的。740)this.width=740" border=undefined>.25 NMOS晶体管的典型I-V曲线。
drain对source电压比较低时,MOS channel像电阻,drain电流随着电压线性增加。这个工作区被称为线性区或triode区。它相对于双极型晶体管的饱和区。当drain对source的电压超过GATE对SOURCE电压与阈值电压之间的差值时,drain电流就停止上升停在一个常数值上。这个区就是饱和区,相当于双极型晶体管的forward active区。所以饱和对MOS和双极型晶体管有不同的意思。
线性区的MOS管的特性比较容易理解。Channel就像一层靠载流子浓度决定电阻的掺杂硅。电流随着电压线性上升,就像电阻一样。更高的GATE电压产生更大的载流子浓度,因此降低了channel的电阻。PMOS管和NMOS管差不多,但由于空穴的移动性比电子差,channel的电阻相应的就比较大。工作于triode区的MOS管的有效电阻被标记为RDS(ON)
因为pinch-off现象,MOS管饱和。当drain对source的电压还很低时,有一个均匀厚度的耗尽区会包围channel(.26A)。当drain对source的电压升高后,在drain端的耗尽区加厚了。耗尽区就会侵入channel,从而使它缩小。终channel被截断,称为pinched-off(.26B)。载流子被相对弱的电场驱动沿着channel运动。当他们到达pinched-off区的边缘时,他们就被强大的电场吸引而穿过耗尽区。随着drain电压上升,channel上的电压并不上升;而是pinched-off区会变宽。因此,drain电流到达了一个极限,停止增长了。
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.26 MOS晶体管在不同偏置(A)VDS=0V(triode 区);(B)VDS=10V(饱和区)的行为。
drain电流在饱和区稍微有点向上翘。这是由channel length modulation引起的,相当于EARLY EFFECT。Drain电压的上升使pinched-off区加宽并且channel length缩短。短channel上还是原来的电压,所以电场加强了,载流子运动的更快。因此drain电流随着drain对source的电压上升而稍微有点上升。
.25I-V曲线中晶体管的backgate是接到source的。如果backgate独立于source偏置,那么晶体管的阈值电压会有点不同。如果NMOS的source相对于backgate正向偏置,那么它的阈值电压会上升。如果PMOS的SOURCE相对于BACKGATE反向偏置,那么它的阈值电压会下降(变成更大的负值)。这个backgate效应或body效应是因为backgate对source的电压调制了channel下的耗尽区而产生的。随着backgate对source的差别上升,耗尽区也加宽,它也同时侵入backgate和channel。Backgate对source的高电压会削弱channel,它反过来又提升了阈值电压。耗尽区对channel的侵入随着backgate掺杂上升而变得更厉害,这又加强了body效应。
MOS管通常被认为是多数载流子器件,它只有在channel形成后才导通。这个过分简单的看法没有解释当GATE对SOURE电压低于阈值电压时的导通。Channel的形成是个逐步的过程。随着GATE对SOURCE电压上升,GATE首先吸引了少量少数载流子到表面。当电压上升时,少数载流子的浓度也上升了。当gate对source电压超过阈值电压时,少数载流子的数目大到硅表面反转,channel形成了。在这之前,少数载流子仍旧可以从source扩散到drain。这个subthreshold导通产生了一个比channel形成时产生的电流小的多的电流。然而,他们仍旧比结的漏电流大了好几个等级。仅当gate对source电压在阈值电压的0.3V左右时,Subthreshold导通是很明显的。在低Vt的器件中这已经足够引发严重的“漏电流”问题。实际上有些电路也利用了subthreshold导通时电压对电流的指数关系,但他们不能在超过100℃的环境下正常工作,因为结漏电流太大而淹没了微小的subthreshold电流。
和双极型晶体管一样,MOS管也能被雪崩或punchthrough击穿。如果drain耗尽区的电压太大,雪崩就会发生,drain电流会快速上升。同样的,如果整个channel pinches off,source和drain就会被终的耗尽区短接,且晶体管会punch through。
MOS管的工作电压通常被一个称为hot carrier injection的长期退化机制限制在低于雪崩或punchthrough的一个值。横贯drain的pinched-off区的载流子被这里的电场加速。这些载流子能达到远远超过那些室温热扩散的载流子运动的速度,所以他们被称为hot carriers。当这些碰撞硅表面的原子时,有些被弹到GATE OXIDE,有些则被捕获。慢慢的,经过很长的时间后,这些被捕获的载流子浓度上升,阈值电压就被改变了。Hot hole injection比hot electron injection更少发生,因为空穴的低移动性限制了他们的速度和他们越过氧化物表面的能力。因此,相似的NMOS管比PMOS管的工作电压更低。已经开发了很多不同的技术来限制hot carrier injection(12.1节)。
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