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MOS管就像一個開關,柵極(Gate)
決定 源極(Souce)
到 漏極(Drain)
的 溝道(Channel)
是開還是關。
以NMOS為例,圖中綠色代表(N型)富電子區域,黃色代表(P型)富空穴區域。P型和N型交界處會有一層耗盡層分隔(也叫空間電荷區,如圖中白色分界所示)。
\(V_{T}\) 是開關的閾值,超過閾值就開,低於閾值就關。柵電壓越大,下方吸引的電子越多,形成的溝道就越深。柵與溝道之間有氧化層隔離。在源漏沒有電壓時溝道寬窄是一樣的,這很好理解。
當漏極電壓升高,柵極靠近漏極的相對電壓就小,因此溝道受其影響寬窄不同。由於電流是連續的,所以窄的地方電流密度大,這也好理解,如下圖所示。這是源漏電流 \(I_{DS}\) 隨其電壓 \(V_{DS}\) 增大而線性增大的 線性區
。
要注意的是,這時柵極電壓絕對值並沒有降低,靠近漏極溝道變窄的原因,是柵極的影響力部分被漏極抵消了。一部分本來可以柵吸引形成溝道的電子,就被漏極正電壓拉過去了。
當漏極電壓繼續升高,如果超過柵電壓,造成溝道右邊不滿足開通條件而 夾斷
。之所以出現夾斷點,是因為在這個點,柵極對電子的吸引力被漏極取代。這時候 MOS 管進入 飽和區
,電流很難繼續隨電壓增大。
既然這時候溝道夾斷了,不是應該截止了嗎?為什么還會繼續有電流?
原因是雖然理論上溝道已經 夾斷
,但這個夾斷點很薄弱。為什么說它薄弱?因為夾斷點后面支撐它的不是原來P型區域,而是電壓升高更吸引電子的漏極及其 空間電荷區
。因此電子沖入空間電荷區,就相當於幾乎沒有阻擋的 准自由電子
快速被漏極收集。如圖3所示。
可以想象,隨着靠近漏極的溝道越來越細,很多高速的電子沖過來,一部分擠過夾斷點進入空間電荷區,然后被漏極正電場高速收集(形成示意圖中紫色電流)。漏極電壓越高,夾斷點越后退,造成電子越難穿越,因此飽和區電流不再隨電壓增大而線性增大,畢竟不是所有電子都能沖過夾斷點。源漏電流電壓曲線下圖所示。
當然,如果漏極的電壓繼續上升,它的空間電荷區持續擴張達到源極,那么源極的電子就會不受溝道和柵壓的控制,直接經過空間電荷區高速到達漏極,這就是源漏直接穿通了,這時 MOS 管也就直接損壞了。
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