面包芯语

是什么让MOSFET可以成为一个电流源呢？

原创 加油射频工程师 2022-06-13 15:53
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当VGS>VTH时，MOSFET表现为一个压控电阻；但是，能让MOSFET成为现在集成电路中的翘楚，肯定不是只是压控电阻这么简单呢。
当漏极电压逐够大的时候，MOS管会表现为一个压控电流源。这使得MOSFET可以成为一个放大器。

那到底是什么让MOSFET可以成为一个压控电流源呢？
我觉得是MOSFET的通道夹断效应(channel Pinch-off)。

那什么是通道夹断效应呢？
（1）当栅极和P型衬底接触面之间的电势差大于VTH时，开始形成沟道。如果VD=VS=0时，虽然沟道形成，但是还是没有电流，因此沿着沟道长度处的电势相等。
（2）加大VD的电压，使得VD>0&VG-VD>Vth，沟道中开始有电流形成，而由于沟道电阻的存在，所以沿着沟道长度处的电势是不等的，靠近源极处为0，而靠近漏极处为VD。所以此时，栅极和P型衬底接触面之间的电势差也是不等的，靠近源极处为VG，而靠近漏极处为VG-VD。
（3）继续加大VD的电压，使得VG-VD=Vth，此时在x=L,即漏极处，沟道截止。即产生通道夹断效应。
（4）在继续加大VD的电压，使得VG-VD


那在L1和L之间没有通道了，那是不是就没有电流了呢？
答案当然不是啦，要不然MOSFET管就不会像今天这么流行了。因为漏极是n型掺杂，衬底为P型掺杂，所以漏极和衬底之间有一个PN结，且VD>0, VSUB=0，即n区域的电势高于P区域的电势，即PN结处于反偏状态，所以其存在耗尽区。而耗尽区内的电场，则会把到达沟道截止处的电子吸引过来，保证电子可以继续通过。

但是，此时，VD不会对电流的大小具有显著影响了，这时MOSFET就表现为一个恒流源。

上面是定性分析，下面可以更进一步，采用定量分析的方法，来看一下，为什么此时MOSFET像个恒流源了呢？
在分析这个问题之前，先定义几个变量。
变量1：Cox,单位面积下栅极与沟道之间的电容，单位为F/m2.
变量2：C，单位长度下栅极与沟道之间的电容，单位为F/m
变量3：V，栅极与沟道之间的电压
变量4：W，栅极的宽度
变量5：L，沟道的长度 
变量6：Q,单位长度下沟道中的自由电子，即电荷密度,单位为 Q/m
变量7：v,电荷的移动速度

现在，开始公式推导之旅。
C=W*Cox
V=VGS-VTH(因为当VGS
V(x)=VGS-V(x)-VTH(因为沟道电势随位置变化，在源极V(x)=0)
Q(x)=C*V(x)=WCox(VGS-V(x)-VTH),沟道上的电荷密度
I=dQ/dt=v*dt*Q(x)/dt=v*Q(x)

因为沟道中的电流，主要是在电场作用下移动，所以属于漂移电流，因此：
则得到以下公式：
而ID在通道中，是恒定的，因为电子也没啥地方可去，只能从源极跑到漏极。
所以：
当VDS
当VDS>VGS-VTH时，为饱和区域。
不过在线性区域处，还存在一个深度线性区域，即VDS<<2(VGS-VTH)，此时
即对于固定的VGS，ID与VDS呈线性关系，即MOS管表现为一个简单的线性电阻。

由于通道长度调制效应，饱和区的本来平坦的直线会微微上翘。这是因为当沟道夹断效应发生后，L1在某种程度上，也会受VDS的影响，即VDS越大，L1会变小，但是变小的程度不大。
所以，当VDS变大时，ID也会有一定程度的变大。
此时，不再是∞，不过由于ID-VDS的斜率不高，所以输出电阻还是比较大。


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