Vov:過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓overdrive voltage,Vov=Vgs-Vth,過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓也用Vod表示
Vdsat:飽和漏源電壓或夾斷時(shí)漏源電壓(剛出現(xiàn)夾斷)saturation drain voltage
在長(zhǎng)溝道下,vdsat=vgs-vth=vov,在短溝道下,由于二階效應(yīng),vdsat小于vgs-vth,但這個(gè)值,spice也好,spectre也好,都是用來(lái)判斷管子工作區(qū)間的。
vds>vdsat管子工作在飽和區(qū)
vds<vdsat管子工作在線性區(qū)
Vov=Vgs-Vth,用MOS的Level 1 Model時(shí),不考慮短溝道效用,Vdsat=Vov=Vgs-Vth,當(dāng)Vds>Vdsat時(shí),MOS的溝道就出現(xiàn)Pich-off現(xiàn)象,這時(shí)候電流開始飽和。(長(zhǎng)溝道器件)
但是考慮到短溝道效應(yīng)的模型里,溝道里的多子因?yàn)樗俣蕊柡托?yīng)(Velocity saturation),Vds不需要到達(dá)Vov,只要到達(dá)Vdsat,Ids就會(huì)飽和,不會(huì)再上升。
但是此時(shí)在物理上,溝道并未達(dá)到Pinch- off,直到Vds=Vov,溝道的Pinch-off現(xiàn)象才會(huì)出現(xiàn)。也就是說(shuō)在短溝道模型中,器件在溝道Pinch-off之前就會(huì)達(dá)到速度飽和,電流 不會(huì)再增加(短溝道器件)
小結(jié): Vds-Vdsat要留一定余量,一般200mv,差分輸入對(duì)一般為100多mv,一般來(lái)說(shuō)vdsat<50mV管子基本就工作在線性區(qū);一是怕管子由于工藝進(jìn)入線性區(qū);二是飽和區(qū)邊緣rds較小。
以下是晶體管工作在速度飽和區(qū)的簡(jiǎn)單推導(dǎo)過(guò)程:
Cox是單位面積的柵氧化層電容。
μ是遷移率。在半導(dǎo)體材料中,載流子處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài),在外加電壓時(shí),載流子受到電場(chǎng)力的作用而定向移動(dòng),形成漂移電流。定向移動(dòng)的速度也稱漂移速度,電流方向由載流子類型決定。載流子的平均漂移速度v與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比,比率就是遷移率μ,其關(guān)系式為:
公式1.1
以NMOS為例,晶體管工作在飽和區(qū),其溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度E可以表示為:
公式1.2
電流的其中一種定義是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的總電荷數(shù)(載流子數(shù)目),即沿著電流方向電荷密度和速度的乘積。工作在飽和區(qū)的NMOS管,其平均電荷密度可以表示為:
公式1.3
那么根據(jù)電流的定義就可以得到與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Vgs-Vth成平方律關(guān)系的經(jīng)典電流公式,有:
公式1.4
在公式1.4中L為溝道實(shí)際長(zhǎng)度,而在公式1.2中Leff為有效溝道長(zhǎng)度,二者差異是因?yàn)檫@幾個(gè)公式都不是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格地推導(dǎo),存在一些近似,但不妨礙原理上的理解。
公式1.4是在晶體管的溝道電場(chǎng)強(qiáng)度E比較低時(shí)成立。當(dāng)晶體管溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度很高時(shí)其載流子的漂移速度不再與其電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,而趨向于一個(gè)恒定值vsat,那么公式1.4改寫為:
公式1.5
這時(shí)候,稱晶體管工作在速度飽和區(qū)。對(duì)于電子,臨界電場(chǎng)在1-5V/um之間。根據(jù)公式1.3,晶體管的溝道電場(chǎng)與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Vgs-Vth和有效溝道長(zhǎng)度直接相關(guān),晶體管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Vgs-Vth越大,溝道長(zhǎng)度越短(短溝道器件),晶體管越可能工作在速度飽和區(qū)。若將晶體管接成二極管形式,并對(duì)其Vgs從小到大進(jìn)行掃描,管子將依次工作在截止區(qū)、弱反型區(qū)、強(qiáng)反型區(qū)、速度飽和區(qū)。
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