NMOS晶体管线性区漏源电流详解

导读

之前的文章对MOS电容器进行了简单介绍，因此对MOS晶体管的理解已经打下了一定的基础，本文将对深入介绍NMOS晶体管的结构及工作原理，最后再从机理上对漏源电流的表达式进行推导说明。

在P型硅MOS电容器中增加两个重掺杂的N型扩散区，就形成了MOSFET，这两个N型区分别为源区和漏区，且与栅的边缘对准。源区和漏区分别和衬底形成PN结，如图1所示，L是沟道长度，W是沟道宽度。

图1 （a）NMOS晶体管结构图  （b）四端MOSFET电路符号

当栅源电压小于阈值电压VTH时，由于MOS电容器的特性，P型衬底与氧化物交界面只有耗尽区，没有可参与导电的自由电子，并且源漏之间存在背靠背的PN结，因此存在很小的漏电流。当极源电压增大到阈值电压VTH以上时，P型衬底与氧化物交界面形成N型反型层，使得源区和漏区相连，形成导电沟道，如图2所示。

图2 NMOS晶体管导电沟道

稳态下，iG和iB都为零，因此流入漏极的电流等于流出源极的电流，即iS=iD 

为了推导出漏极电流的表过式，需要考虑导电沟道中电荷的传输过程，在沟道中任意位置，单位长度的电子电荷等于

C/cm    （1）

式中C’’ox为单位面积的氧化电容（F/cm2）；且该式只适用于Vox-VTH > 0的场合，VTH是栅极的阈值电压；Vox是氧化层上的电压；

由于漏源电压为VDS，且源极接地，故漏极电压即为VDS，因此沟道中沿沟道方向存在电压梯度，假设沟道与源区N型扩散区的交界点为坐标原点，则沟道与漏区N型扩散区的交界点为坐标L，如图3所示，那么沟道中任意点x处的电压为V(x)，且有V(0)=0V，V(L)=VDS，因此氧化层上的电压也随位置的变化而变化

（2）

因此在源端Vox=VGS，在漏端Vox=VGS-VDS。

图3 NMOS晶体管i-v特性电路模型

沟道中，任意位置的电子漂移电流等于单位长度的电荷与电子运动速度vn的乘积

（3）

而电子运动速度vn为

（4）

式中μn为电子迁移率，将式（1）、（2）、（4）可得

（5）

由于沟道中任意位置的电流均相等，且等于漏极电流iD ，则有

（6）

将dx项移至左边，且对x在0 - L之间积分，可得

（7）

（8）

式（8）中，Kn’=μnC’’ox，且只与NMOS的生产工艺有关。该式即为NMOS晶体管工作在线性区时的漏源电流表达式。

需要注意的有：

1）式（8）只适用于Vox-VTH > 0的场合，即 VGS- VDS >VTH的场合；

2）Kn’并不为常数，而是随着VGS的增大而减小；