關(guān)于對(duì)MOS管速度飽和的理解分析-KIA MOS管

MOS管速度飽和分析

MOS管速度飽和:一般而言，載流子速度正比于電場(chǎng)，斜率是載流子的遷移率；可當(dāng)延溝道電場(chǎng)達(dá)到臨界值（某個(gè)根據(jù)散射效應(yīng)計(jì)算的值）時(shí)，載流子的速度將會(huì)趨于飽和，稱為速度飽和效應(yīng)。此時(shí)的載流子速度不會(huì)隨著電場(chǎng)增大而增大。

需要說明：

1.一般這種現(xiàn)象發(fā)生在短溝器件中。

2.如果不考慮速度飽和的情況，管子在Vgs-Vth<Vds的時(shí)候是會(huì)出現(xiàn)電阻工作區(qū)和飽和區(qū)兩種的，I隨V的變化分別呈現(xiàn)線性和二次模型。這兩個(gè)區(qū)域的名稱在模擬集成電路中有略微不同，叫做深三極管區(qū)和飽和區(qū)。

3.載流子的速度趨于飽和的主要原因是因?yàn)樯⑸湫?yīng)，也即是載流子間的碰撞導(dǎo)致的。

4.課本上將這個(gè)臨界值設(shè)置為ξc，并用下面這幅圖形象的描述了這個(gè)概念。

5.電子和空穴的飽和速度大致相同，是10^5m/s。

6.速度飽和發(fā)生的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度取決于摻雜濃度和外加的垂直電場(chǎng)強(qiáng)度。

MOS管速度飽和：電子和空穴的飽和速度大致相同，即105m/s。速度飽和發(fā)生時(shí)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度取決于摻雜濃度和外加的垂直電場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于電子,臨界電場(chǎng)在1~5 V/μm之間。

這意味著在溝道長度為0.25μm的NMOS器件中大約只需要2V左右的漏源電壓就可以達(dá)到飽和點(diǎn)，這一條件在當(dāng)前的短溝器件中很容易滿足。在n型硅中需要稍高一些的電場(chǎng)才能達(dá)到飽和，因此在PMOS晶體管中速度飽和效應(yīng)不太顯著。

速度飽和效應(yīng)發(fā)生在這樣一個(gè)場(chǎng)景下：首先MOS管工作在飽和saturation區(qū)(vds>vgs-vth)，可是此時(shí)的Vgs-Vth太大了。

說明：將二極管接法的管子掃描Vgs，管子依次經(jīng)歷，截止區(qū)，弱反型區(qū)，強(qiáng)反型區(qū)和速度飽和區(qū)。 

對(duì)于工作在飽和區(qū)的管子其溝道電場(chǎng)強(qiáng)度為（Vgs-Vth）/Leff，該電場(chǎng)太大，則溝道載流子速度飽和了。 大Vds將把溝道截止點(diǎn)推向源區(qū)，使得Leff變小，但真正決定因素還是Vgs-Vth。

Vgs-Vth小于80mv時(shí)，飽和時(shí)管子工作在弱反型，100mv-400mv左右工作在強(qiáng)反型，400mv+則速度飽和了（前提：管子工作在飽和區(qū)Vds>Vgs-Vth）。

下圖用于解釋速度飽和效應(yīng)，截止點(diǎn)的電勢(shì)為Vgs-Vth。

推導(dǎo)電流公式時(shí)，用的是單位長度平均載流子濃度乘以速度的方式，省去了繁瑣的積分方法，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度（Vgs-Vth）/Leff超過臨界值時(shí)，溝道電子速度是u*（Vgs-Vth）/Leff變?yōu)楹愣ㄖ礦sat。

平方率退化為一次方率，這就是告訴大家，為什么你用平方律手算的W，L這么不準(zhǔn)的原因了。

關(guān)鍵是要理解，飽和區(qū)管子的電場(chǎng)強(qiáng)度是（Vgs-Vth）/Leff，溝道電子速度是u*（Vgs-Vth）/Leff，當(dāng)（Vgs-Vth）/Leff太大時(shí)，速度飽和了（半導(dǎo)體的性質(zhì)）。

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