導讀

【資料圖】

之前的文章對MOS電容器進行了簡單介紹，因此對MOS晶體管的理解已經打下了一定的基礎，本文將對深入介紹NMOS晶體管的結構及工作原理，最后再從機理上對漏源電流的表達式進行推導說明。

在P型硅MOS電容器中增加兩個重摻雜的N型擴散區，就形成了MOSFET，這兩個N型區分別為源區和漏區，且與柵的邊緣對準。源區和漏區分別和襯底形成PN結，如圖1所示，L是溝道長度，W是溝道寬度。

圖1 （a）NMOS晶體管結構圖 （b）四端MOSFET電路符號

當柵源電壓小于閾值電壓VTH時，由于MOS電容器的特性，P型襯底與氧化物交界面只有耗盡區，沒有可參與導電的自由電子，并且源漏之間存在背靠背的PN結，因此存在很小的漏電流。當極源電壓增大到閾值電壓VTH以上時，P型襯底與氧化物交界面形成N型反型層，使得源區和漏區相連，形成導電溝道，如圖2所示。

圖2 NMOS晶體管導電溝道

穩態下，iG和iB都為零，因此流入漏極的電流等于流出源極的電流，即iS=iD

為了推導出漏極電流的表過式，需要考慮導電溝道中電荷的傳輸過程，在溝道中任意位置，單位長度的電子電荷等于

C/cm （1）

式中C’’ox為單位面積的氧化電容（F/cm2）；且該式只適用于Vox-VTH > 0的場合，VTH是柵極的閾值電壓；Vox是氧化層上的電壓；

由于漏源電壓為VDS，且源極接地，故漏極電壓即為VDS，因此溝道中沿溝道方向存在電壓梯度，假設溝道與源區N型擴散區的交界點為坐標原點，則溝道與漏區N型擴散區的交界點為坐標L，如圖3所示，那么溝道中任意點x處的電壓為V(x)，且有V(0)=0V，V(L)=VDS，因此氧化層上的電壓也隨位置的變化而變化

（2）

因此在源端Vox=VGS，在漏端Vox=VGS-VDS。

圖3 NMOS晶體管i-v特性電路模型

溝道中，任意位置的電子漂移電流等于單位長度的電荷與電子運動速度vn的乘積

（3）

而電子運動速度vn為

（4）

式中μn為電子遷移率，將式（1）、（2）、（4）可得

（5）

由于溝道中任意位置的電流均相等，且等于漏極電流iD，則有

（6）

將dx項移至左邊，且對x在0- L之間積分，可得

（7）

（8）

式（8）中，Kn’=μnC’’ox，且只與NMOS的生產工藝有關。該式即為NMOS晶體管工作在線性區時的漏源電流表達式。

需要注意的有：

1）式（8）只適用于Vox-VTH > 0的場合，即 VGS- VDS >VTH的場合；

2）Kn’并不為常數，而是隨著VGS的增大而減小；