工作在饱和区的mos管的饱和电流ID为什么不能太大

mos管在饱和区时,其电子沟道已经被夹断了,为什么还有漏电流存在了?
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一直不明白电子沟道是个能使漏电流通过的沟道还是这个沟道的电子也会是漏电流的一部分?书看的不是很明白,还请大神指教
很基本的问题,哈?&
要解释清楚这个问题,先要解释二极管是怎么回事。
要解释二极管是怎么回事,先让我们了解下硅。 ----半导体产业也被成为硅产业。
为什么是硅?
自然界里面存在大量的硅。沙子,玻璃都是硅或者是二氧化硅。
在元素周期表里面,硅在碳的正下方。是四价的物质。
如果你还记得金刚石的结构,一个碳原子跟旁边四个碳原子相连,构成了一种稳定的结构。那么你也可以想象在纯净的硅晶体里面,原子是怎么相连的。
就是下图这个样子。
为什么是这样子的稳定结构?
硅是四价的物质,就意味着在它的最外层,有四个电子。
可是其实它的最外层可以容纳的电子数量是八个。 所以它告诉旁边的四个原子:
我有一个电子,你有一个电子,我们两都把电子拿出来,这样我们就都有两个电子,这样好吧?
简直是瞌睡遇到枕头,旁边的原子也正有此意。于是它一共拿了四个电子出来,跟四个硅原子分享,一共得到了八个电子。这样所有的原子大家都happy,沉浸在一种满足的喜悦当中。
所以其实纯净的硅是不导电的。因为你看,没东西可以导电。原子和原子通过电子紧密相连,顺便也把这些电子绑得严严实实。我们知道,电子的移动产生了电流。如果没有电子可以移动,电流也就无从产生。
那我们那这么一坨不能导电的东西有什么鸟用?
P型半导体和N型半导体
纯净的硅确实没有多大的用处。但是,假如我们想一想办法,就能赋予硅奇妙的性质。这种办法就是参杂。
试想一下,要是我们用一种五价的原子,来代替上图中某一个硅原子的位置,会发生什么。
五价的原子周围一共有5个电子。可是它的周围只有四个硅原子。它们只需要它的四个电子。
这下惨了。这些电子就像玩抢板凳的游戏一样,五个电子,总共只有四个板凳。
于是多了一个电子出来,没地方去,尴尬地站在黑板那儿。觉得世界那么大,但哪儿都不属于我。
于是这颗电子失去了键力的约束,内心的疯狂渐渐滋长。到最后他就到处游荡起来。我们叫这颗电子自由电子,它可以在器件内部到处跑来跑去。
掺了五价原子的硅于是就具有了导电性。我们称这种半导体为N型半导体。
那假如我们掺杂掺成三价的原子,又怎么样呢?
就多了一根板凳。
现在设想一下,有人家里结婚了,请了20桌亲朋好友来吃婚宴,每桌可以坐八个人。可是现在第一桌只来了七个人。
第二桌的一个人看见第一桌空了一个位置,说:我来坐这里。
然后第二桌就空了一个位置。
第三桌过来一个人又把第二桌的空位坐了
这样,虽然是人在从一个位置挪到另外一个位置,可是看起来却像是位置从第一桌挪到第二桌,然后不断挪动一样。
这些吃饭的人就好比电子,位置就好比空穴。
这样,空穴的移动(当然,其实也是电子的移动),也使得掺了三价物质的硅变成了导体。&
我们把掺三价物质的硅叫做P型半导体。
把P型半导体和N型半导体放到一起
如果把一块P型硅和一块N型硅放到一起,会怎么样呢?
N型硅里的电子表示这辈子从来没看到过这么多妹子,阿不,空穴。
于是它们就会朝着P型搬到体内部扩散。
一个电子只要看到一个空穴,就把这个位置占了。然后后面的电子再跑过来,继续朝前扩散。自由电子嘛,就像发疯的野马一样,天花板上都有它们的脚印。&
哟,那这样一来,会不会N型半导体里的电子都跑到P型半导体里面,把空位都占了,这不是又让这个东西变成跟从前没掺杂时候一样了吗?
多虑了。这个事情是不可能发生的。
五价的原子虽然多出来了一个电子,可是这个电子不是白白都出来的。当这个电子远离了生他养他的故乡,它留下的不只是一个传说……它还留下了一个带正电荷的,孤零零的五价原子——它现在只有四个电子在身边了。
同样的道理,P型硅里的空穴要是被电子占据,也不是白白被占据的。因为P型硅里面掺的三价原子旁边本生只有三个电子,现在无缘无故地多了一个出来,它们总的电荷量就变成了负电荷。
在N型硅和P型硅交界的地方,从N型硅里跑出来的电子跑到了P型硅里,在N型硅里留下一个正电荷,在P型硅里产生一个负电荷。
于是电场就产生了。这个电场从N型硅指向P型硅。阻止电子继续从N型硅跑过来。
我们把这种因为电子和空穴的思乡之情而产生的电场叫做内建电场。
因为内建电场的存在,这块半导体内部的电子和空穴的移动达到了宏观上的平衡。所以也就没有电流的流动。
只是,在PN结(引入这个词表示P型半导体和N型半导体的接触面)附近,大概几百纳米的范围内,有一片奇怪的区域,在这片区域内,电子和空穴不再单身,而是进去夫妻双双把家还的模式。基本上找不到自由电子或者是自由空穴的存在了,我们叫他耗尽区。(一个有意思的冷知识:硅原子大小大概是0.5nm,也就是说,耗尽区大概是几百个硅原子厚度)
上面说到的PN结,就是我们常常说到的二极管。
二极管有什么特性呢? 电流只能从一边流到另一边。 反方向不行。
说一说这是为什么:
假如我们从P端向N端施加一个正向的电压,会发生什么事情呢?&
P型半导体内部的空穴,都有一股朝着N型半导体内移动的冲动。它们移动到靠近PN结附近,把原先在耗尽区以外的空穴朝耗尽区以内挤。于是结果是耗尽区变薄了。
这下好了,耗尽区变薄了,再也没有足够的电场强度维持之前的平衡了。现在更多的电子可以从N型硅通过扩散移动到P型硅。也有更多的空穴可以从P型硅扩散到N型硅。这些扩散的电子和空穴形成了一股电流。这就是PN结正向导通的时候形成的电流。
那么假如加上的电压是从N端向P端的,会发生什么事情呢?
由上文的推理可知,这次PN结的宽度会增加。但是增加的PN结宽度没什么用。如果说在不施加电的状态下的平衡,是通过反向电场把扩散过来的电子再给推回去的的话,现在增加的PN结宽度,只是把这堵墙修得更高。
却不会带来电子或是空穴的流动了。
所以PN结反偏的时候不导电。
回到问题。
题主的问题是说,假如我们现在有一个NMOS导电,在线性区的时候容易理解,因为这个时候NMOS下面的反型层刚好可以把源漏的N型半导体联通在一起。
可是假如是工作在饱和区。从我们看到的示意图来说,沟道和漏端之间似乎根本没有联通。那么这个时候,电流是如何从沟道跑到漏极去的呢?
它们飞过去的吗?
我们来理一理
NMOS下面的反型层,是N型的。所以反型层里面自由移动的都是电子。
现在这些电子移动到夹断区附近。那里是一个反偏的PN结。在这个PN结里面,电场的方向是从漏极指向源极的。电子刚刚靠近这个结,立刻就会被这个结中的电场俘获,并且扫走。最终抵达漏极形成电流。
其他干货时间
1. PN结反偏电压可以一直增加吗?
我们刚才看到,PN结中虽然看上去没有电子了,但是其实这是一种抽象的假设。耗尽区中是有电子的。只是电子的密度会随着耗尽区按照指数减小。减小得很快。
这些电子虽然不多,但是也会在反向电场的作用下被加速,产生微小的电流。
假如反向电压比较小,问题不大。
可是一旦反向电压够高,电子就会在电场里面被加速得很快。当它们快到一定程度,就会把之前好好呆在空穴里的电子轰出来。被轰出来的这个电子又被加速,轰出另外一个电子。就这样子子孙孙无穷尽也,耗尽区里就形成了极多的电子空穴对,变成了导体。
这就是击穿。
2. 电流总是从漏流向源吗?
在漏极电压比较低的情况下,大多数电流都是从漏极流向源的。
但是如果漏极电压比较高,电子通过耗尽区的时候会有一定的概率再撞出一个电子和空穴。电子会继续朝着漏极运动,而空穴将被电场扫到P型的衬底。变成衬底电流。
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知乎用户,Analog/RF
IC Designer
、、知乎用户&等人赞同
翻译成中文真坑,漏电流和漏极电流是两回事……你应该说的是后者吧-_-||。
增强型nmos为例,&
一、先讲反型电子来自哪里:
漏源电压为0。栅电压为正,p型衬底空穴被排斥,少子电子被吸引到表面;随着栅压增加,少子电子越来越多聚集在衬底表面,形成一层很薄的电子沟道,俗称反型。此时反型电子来自于衬底。
2. 漏源电压不为0,栅电压不变了。最容易得到电子的地方当然是源端,反型电子来自源端。
二、然后讲形成饱和电流的原理:
在夹断区出现耗尽层,横向电场大部分落在这个区,电场方向漏端指向源端,该夹断区边缘的反型电子(nmos),由于扩散,一旦电子进入该区域就会被电场加速扯到漏端,从而形成电流。
至于为什么饱和,是因为电子迁移率不再与电场成线性增加的关系了,电子漂移速度达到饱和。这需要理论推导,略。&
三、最后回到问题:反型电子是不是漏极电流的一部分?
答案是肯定的。你这相当于把电子分成了两种,一是最初没加漏源电压的反型电子,二是源端提供的电子。由上述分析知道,反型电子在mos工作的时候由源端提供,最初的那部分电子被电场扯走了以后,由源端来补充,这是个连续的过程。
不知道题主明白了没:)
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,穷达独善其身。
我曾经也有同样的疑问,后来从器件物理的角度我明白了,物理层面的理解可以像资深大神@Yike讲解的那样。
在我还没完全弄明白物理层面的原理的时候,我那时都是用下面这样的连续自问自答来说服自己的。
1.MOS管为什么能导电?→因为MOS管栅上有控制电压导致绝缘层下面产生了一个电子可以自由移动的沟道呀!2.MOS管源和漏之间如何流过电流?→只要给源漏之间一个电势差就行了呀!3.但是我发现一个问题,源漏电压差变大可以让源漏电流值增大耶!但是!当电势差超过一定值的时候电流竟然不再增长了!为什么?→这就是我们常说的饱和喽。4.为什么饱和?→因为沟道夹断了。5.沟道断了不就应该没有电流吗?→你刚刚明明说源漏压差变大电流会恒定现在怎么又能突然没有电流呢?伟大的自然界是绝不会出现这种不连续现象的!6.我……特么……还真的是耶……
另外,沟道夹断在英文里面叫"pinch off"。
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第三章MOS管
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