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CMOS知识点 MOS管线性区电流公式

news 2025/8/22 11:03:34

知识点15：

首先，我们需要知道：

MOSFET结构：主要有源极(Source)、漏极(Drain)、栅极(Gate)和衬底(Body)。
导通条件：当栅源电压大于阈值电压时，栅极下的衬底表面会形成一个连接源极和漏极的反型层（N型沟道），器件开始导通。
工作区域：
- 线性区 (Triode/Ohmic Region)：当 (漏源电压) 较小时，沟道从源到漏完整存在。电流同时受和控制。
- 饱和区 (Saturation Region)：当增大到一定程度 ( ≥ − ) 时，沟道在漏端附近被“夹断”，电流主要受控制，对变化不敏感。

MOSFET在线性区的大信号特性计算

那么，PMOS晶体管线性区的电流公式为：

条件是：

即：

：导通条件。源栅电压必须大于阈值电压，这样才能在栅极下方形成反型层（P型沟道），为电流提供通路。
：线性区条件。确保沟道在漏端还没有被“夹断”。当时，漏端的栅压差刚好等于 ( − = )，沟道在漏端刚刚消失，晶体管处于线性区与饱和区的临界点。如果再增大，晶体管将进入饱和区，这个公式就不再适用。

电流公式核心逻辑是：电流大小取决于有效的导通电压 ( )在电阻性的沟道上产生的压降，并减去一个由沟道电势分布不均导致的平方项修正。

组成部分为：

：漏极电流 (Drain Current)。这是我们要计算的最终结果，表示从源极流入，从漏极流出的电流。对于PMOS，载流子是空穴，电流方向与空穴运动方向一致（源极到漏极）。
：器件的本征导电因子。这部分决定了晶体管本身的“驱动能力”或“增益”。
- ：跨导参数 (Transconductance Parameter)。这是一个由制造工艺决定的常数， =μp⋅Cox′。
  - μp ：空穴迁移率。衡量空穴在硅材料中移动的难易程度。
  - Cox′：单位面积的栅氧层电容。由氧化层厚度 tox 和介电常数 εox 决定（Cox′=εox/tox）。
  - 物理意义：综合了材料的导电能力（μp）和栅极控制沟道电荷的能力（C'ox）。越大，同样的栅压能诱导出更多的沟道电荷，电流也就越大。
- ：宽长比 (Aspect Ratio)。这是由电路设计者决定的尺寸参数。
  - W (Width)：沟道的宽度。W 越大，相当于并联的导电通道越多，电阻越小，电流越大。
  - L (Length)：沟道的长度。L 越短，电荷漂移的距离越短，电阻越小，电流越大。
- 总结：就像是一个“导电系数”，它结合了工艺水平和设计尺寸，共同定义了这个晶体管能将栅压转换为电流的最大能力。
( )：过驱动电压 (Overdrive Voltage)。这是晶体管导通的“有效”电压。
- ：源极到栅极的电压。对于PMOS，要使它导通，源极电压必须高于栅极电压，所以是正值。
- ：阈值电压 (Threshold Voltage)。这是形成导电沟道所需的最小。
- 物理意义：( )代表了超出最低要求的那部分栅压。这部分多余的电压越强，吸引到沟道中的可动空穴电荷就越多，沟道的导电性就越强。它是栅压对沟道电荷控制能力的体现。
[( ) ]：有效电压积。这部分描述了漏源电压如何与过驱动电压相互作用来产生电流。它可以被看作两部分：
- ( ) ：线性项。如果沟道电阻是恒定不变的（像一个理想的电阻），那么电流就应该是 ∝ 。这里的 ( ) 决定了这个“理想电阻”的阻值（过驱动电压越大，沟道电荷越多，电阻越小）。所以这一项代表了理想电阻行为。
- ：非线性修正项。在实际的MOSFET中，沟道电阻并非常数。沿着沟道从源极到漏极，电压 V(y)从0增加到。这意味着靠近漏极的沟道，其栅极与沟道之间的电压差（ −V(y)）变小了，因此可动电荷 Q’I也变少了，导致该处的电阻变大。
  - 物理意义：这个平方项减去了由于沟道电荷分布不均匀（漏端电荷减少）而导致的电流损失。正是因为存在这个修正项，MOSFET在线性区的I-V曲线才不是一条直线，而是一条略微向下弯曲的曲线。