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D2 · MOSFET

工作区:先是电阻,后成电流源

沟道形成后,实际电流由漏极电压分野。亲手升高漏极电压,看 MOSFET 先像电阻,过了某点电流变平、化为电流源。

升高漏极电压,看两副面孔

曲线是栅极保持导通时画出的 Id-Vds 特性。漏极电压 Vds 小时,电流近乎成比例地直线上升。但 Vds 一到过驱动,曲线便像膝盖一样折平。亲手越过那个膝点。

漏源电压 VdsVds = 0.4 V
工作区
Id = k(Vov Vds - Vds²/2)
Vov = 2.0 V Id = 0.72
Vds 小。沟道从源到漏均匀相连,电流近乎正比于 Vds。MOSFET 像电压控制电阻。
线性 · 像电阻

截止与线性:导通的沟道是电阻

Vgs 低于阈值则无沟道、电流为零,即截止(D1)。沟道形成后,只加很小的漏极电压,沟道便是从源到漏近乎均匀的导电层。给该层加电压,电流按欧姆定律流动,近乎正比于 Vds。此时沟道电阻由栅极电压决定。即 MOSFET 是用电压改变阻值的电阻,数字开关的导通电阻或模拟开关正用此区。

夹断:漏极一侧的沟道关闭

升高 Vds,沿沟道从源到漏电位渐高。打开沟道的力是栅与沟道间的电压,而漏极附近沟道电位高,使该值渐减。当 Vds 达到过驱动 Vov = Vgs - Vth,在漏端栅-沟道电压恰好降到阈值,那里的沟道厚度变为零。沟道不再触及漏极的这种状态,就是夹断。

饱和:电流变平

越过夹断后再升 Vds,只把夹断点略向内移,而沟道所载电流几乎不变。于是电流变平,进入饱和区。此时电流大小不由 Vds 而由过驱动决定,遵循平方律 Id ≈ (1/2) k Vov²。MOSFET 像受 Vgs 控制的电流源的这个区,正是对应 BJT 活性区的放大之地。

观察Id Vds
线性区里电流正比于漏极电压。
选择Vds = ?
漏极电压达到过驱动时,沟道夹断。
填空Id ≈ (12) k ?
饱和电流随过驱动的平方。
自己来Vov = Vgs - ?
过驱动是超过阈值的栅极电压。

回到第一屏

漏极电压低时曲线直直上升。那段里 MOSFET 是用栅极定值的电阻。把漏极电压升到过驱动,曲线在膝点折弯,那正是漏极一侧沟道末端夹断的瞬间。其上是再加电压电流也几乎不变的平坦饱和,那里 MOSFET 成为用 Vgs 定大小的电流源。一个器件即便保持导通,也有两副面孔:电阻与电流源。划出这界线的,是漏极电压是否达到过驱动。

沟道形成后(D1),电流由漏极电压 Vds 分野。Vds 小时,沟道均匀相连,器件在线性(三极管)区像电压控制电阻(Id ∝ Vds)。Vds 达到过驱动 Vov = Vgs - Vth 时,漏极一侧沟道末端夹断。其上的饱和区里,再升 Vds 电流几乎不变,MOSFET 像受 Vgs 控制的电流源(Id ≈ (1/2) k Vov²)。若 Vgs < Vth 则截止,Id = 0。

接下来的脉络

在饱和区,MOSFET 是受 Vgs 控制的电流源。下一单元像 BJT 那样,只取出该工作点周围的小摆动并线性化。小栅极电压产生小漏极电流,那个比例常数就是 MOSFET 的跨导 gm。我们用 MOSFET 再走一遍通往放大的同一条路。