【集成電路】Vdsat、Vov、Vds的關(guān)系-KIA MOS管

Vov：過驅(qū)動電壓overdrive voltage，Vov=Vgs-Vth，過驅(qū)動電壓也用Vod表示

Vdsat:飽和漏源電壓或夾斷時漏源電壓（剛出現(xiàn)夾斷）saturation drain voltage

在長溝道下，vdsat=vgs-vth=vov，在短溝道下，由于二階效應(yīng)，vdsat小于vgs-vth，但這個值，spice也好，spectre也好，都是用來判斷管子工作區(qū)間的。

vds>vdsat管子工作在飽和區(qū)

vds<vdsat管子工作在線性區(qū)

Vov=Vgs-Vth,用MOS的Level 1 Model時，不考慮短溝道效用，Vdsat=Vov=Vgs-Vth,當(dāng)Vds>Vdsat時，MOS的溝道就出現(xiàn)Pich-off現(xiàn)象，這時候電流開始飽和。（長溝道器件）

但是考慮到短溝道效應(yīng)的模型里，溝道里的多子因為速度飽和效應(yīng)（Velocity saturation），Vds不需要到達(dá)Vov，只要到達(dá)Vdsat，Ids就會飽和，不會再上升。

但是此時在物理上，溝道并未達(dá)到Pinch- off，直到Vds=Vov，溝道的Pinch-off現(xiàn)象才會出現(xiàn)。也就是說在短溝道模型中，器件在溝道Pinch-off之前就會達(dá)到速度飽和，電流 不會再增加（短溝道器件）

小結(jié)： Vds-Vdsat要留一定余量，一般200mv，差分輸入對一般為100多mv，一般來說vdsat<50mV管子基本就工作在線性區(qū)；一是怕管子由于工藝進(jìn)入線性區(qū)；二是飽和區(qū)邊緣rds較小。

以下是晶體管工作在速度飽和區(qū)的簡單推導(dǎo)過程：

Cox是單位面積的柵氧化層電容。

μ是遷移率。在半導(dǎo)體材料中，載流子處于無規(guī)則的熱運動狀態(tài)，在外加電壓時，載流子受到電場力的作用而定向移動，形成漂移電流。定向移動的速度也稱漂移速度，電流方向由載流子類型決定。載流子的平均漂移速度v與電場強度E成正比，比率就是遷移率μ，其關(guān)系式為：

公式1.1

以NMOS為例，晶體管工作在飽和區(qū)，其溝道的電場強度E可以表示為：

公式1.2

電流的其中一種定義是單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的總電荷數(shù)（載流子數(shù)目），即沿著電流方向電荷密度和速度的乘積。工作在飽和區(qū)的NMOS管，其平均電荷密度可以表示為：

公式1.3

那么根據(jù)電流的定義就可以得到與過驅(qū)動電壓Vgs-Vth成平方律關(guān)系的經(jīng)典電流公式，有：

公式1.4

在公式1.4中L為溝道實際長度，而在公式1.2中Leff為有效溝道長度，二者差異是因為這幾個公式都不是經(jīng)過嚴(yán)格地推導(dǎo)，存在一些近似，但不妨礙原理上的理解。

公式1.4是在晶體管的溝道電場強度E比較低時成立。當(dāng)晶體管溝道的電場強度很高時其載流子的漂移速度不再與其電場強度成正比，而趨向于一個恒定值vsat，那么公式1.4改寫為：

公式1.5

這時候，稱晶體管工作在速度飽和區(qū)。對于電子，臨界電場在1-5V/um之間。根據(jù)公式1.3，晶體管的溝道電場與過驅(qū)動電壓Vgs-Vth和有效溝道長度直接相關(guān)，晶體管的過驅(qū)動電壓Vgs-Vth越大，溝道長度越短（短溝道器件），晶體管越可能工作在速度飽和區(qū)。若將晶體管接成二極管形式，并對其Vgs從小到大進(jìn)行掃描，管子將依次工作在截止區(qū)、弱反型區(qū)、強反型區(qū)、速度飽和區(qū)。

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