【集成(cheng)电路(lu)】Vdsat、Vov、Vds的关(guan)系-KIA MOS管
信息(xi)来源：本站 日期：2022-07-05
Vov：过驱动电压overdrive voltage，Vov=Vgs-Vth，过驱动电压也用Vod表示
Vdsat:饱(bao)和漏源电压或夹断(duan)时(shi)漏源电压（刚出现夹断(duan)）saturation drain voltage
在(zai)长(zhang)沟道(dao)下(xia)，vdsat=vgs-vth=vov，在(zai)短(duan)沟道(dao)下(xia)，由(you)于二阶效应，vdsat小于vgs-vth，但这个值，spice也(ye)好(hao)，spectre也(ye)好(hao)，都(dou)是用(yong)来判断管子工作区间的。
vds>vdsat管子工作在饱(bao)和区
vds<vdsat管(guan)子工作(zuo)在线性(xing)区
Vov=Vgs-Vth,用MOS的Level 1 Model时(shi)，不考(kao)虑短沟(gou)道效(xiao)用，Vdsat=Vov=Vgs-Vth,当(dang)Vds>Vdsat时(shi)，MOS的沟(gou)道就(jiu)出现Pich-off现象，这(zhei)时(shi)候电(dian)流开(kai)始饱和。（长沟(gou)道器件(jian)）
但是考虑(lv)到短(duan)沟(gou)道(dao)效(xiao)应的(de)模型里，沟(gou)道(dao)里的(de)多子因为速度饱和效(xiao)应（Velocity saturation），Vds不(bu)需要到达(da)Vov，只要到达(da)Vdsat，Ids就会(hui)饱和，不(bu)会(hui)再(zai)上(shang)升。
但是此时在(zai)物(wu)理上，沟道并未达到Pinch- off，直(zhi)到Vds=Vov，沟道的Pinch-off现象才会(hui)(hui)出现。也就是说(shuo)在(zai)短(duan)沟道模型(xing)中(zhong)，器件在(zai)沟道Pinch-off之(zhi)前就会(hui)(hui)达到速度饱和，电流 不会(hui)(hui)再增加（短(duan)沟道器件）
小结(jie)： Vds-Vdsat要(yao)留一(yi)定(ding)余(yu)量，一(yi)般200mv，差分输入对一(yi)般为100多(duo)mv，一(yi)般来说vdsat<50mV管子基本就(jiu)工作在线性区；一(yi)是怕管子由于工艺进入线性区；二(er)是饱(bao)和区边缘rds较小。
以下(xia)是晶体管工作在速(su)度饱和区的简单推导过程：
Cox是单位面积的栅氧(yang)化(hua)层(ceng)电容。
μ是迁(qian)移(yi)(yi)率(lv)。在半导(dao)体材料中，载流子(zi)处于无(wu)规则的(de)热运动(dong)(dong)状态，在外加电(dian)(dian)压时(shi)，载流子(zi)受到电(dian)(dian)场力(li)的(de)作用而定向(xiang)移(yi)(yi)动(dong)(dong)，形成(cheng)漂(piao)(piao)移(yi)(yi)电(dian)(dian)流。定向(xiang)移(yi)(yi)动(dong)(dong)的(de)速(su)度(du)(du)也称漂(piao)(piao)移(yi)(yi)速(su)度(du)(du)，电(dian)(dian)流方(fang)向(xiang)由(you)载流子(zi)类型决(jue)定。载流子(zi)的(de)平均漂(piao)(piao)移(yi)(yi)速(su)度(du)(du)v与电(dian)(dian)场强(qiang)度(du)(du)E成(cheng)正比，比率(lv)就是迁(qian)移(yi)(yi)率(lv)μ，其(qi)关系式为：
公(gong)式(shi)1.1
以NMOS为例，晶体管(guan)工作在饱(bao)和区，其沟(gou)道的(de)电场强度E可(ke)以表(biao)示为：
公式1.2
电流的其中一种(zhong)定义(yi)是(shi)单位时(shi)间内通过导体横截面的总电荷(he)数（载(zai)流子数目），即沿着(zhe)电流方向电荷(he)密度和(he)速(su)度的乘积。工(gong)作在饱和(he)区的NMOS管，其平(ping)均(jun)电荷(he)密度可(ke)以(yi)表示为：
公式1.3
那么(me)根据(ju)电流(liu)的(de)定义就(jiu)可以得到与(yu)过驱(qu)动(dong)电压(ya)Vgs-Vth成平方律关系的(de)经典(dian)电流(liu)公式，有：
公(gong)式1.4
在(zai)公(gong)式1.4中L为沟(gou)道(dao)实(shi)际长度(du)，而在(zai)公(gong)式1.2中Leff为有效沟(gou)道(dao)长度(du)，二者差异是因为这几(ji)个(ge)公(gong)式都不是经过严(yan)格地推(tui)导，存(cun)在(zai)一些近似，但(dan)不妨碍原理上(shang)的理解。
公(gong)式(shi)1.4是在晶(jing)体管(guan)的沟道(dao)电(dian)(dian)场强度(du)(du)E比较(jiao)低时成立。当晶(jing)体管(guan)沟道(dao)的电(dian)(dian)场强度(du)(du)很高时其(qi)载流(liu)子的漂移速(su)度(du)(du)不再与其(qi)电(dian)(dian)场强度(du)(du)成正比，而趋向于一个恒(heng)定值(zhi)vsat，那么(me)公(gong)式(shi)1.4改写为：
公式1.5
这时候，称晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)工作(zuo)在速(su)度(du)饱和(he)(he)区(qu)。对于(yu)电子(zi)，临界(jie)电场(chang)在1-5V/um之(zhi)间(jian)。根据公式1.3，晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的沟(gou)(gou)道电场(chang)与过驱动电压Vgs-Vth和(he)(he)有效沟(gou)(gou)道长(zhang)度(du)直接(jie)相关，晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的过驱动电压Vgs-Vth越(yue)大，沟(gou)(gou)道长(zhang)度(du)越(yue)短(duan)（短(duan)沟(gou)(gou)道器件），晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)越(yue)可能工作(zuo)在速(su)度(du)饱和(he)(he)区(qu)。若将晶(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)接(jie)成二极管(guan)(guan)(guan)形式，并对其Vgs从小到大进行扫(sao)描，管(guan)(guan)(guan)子(zi)将依次工作(zuo)在截(jie)止(zhi)区(qu)、弱反型区(qu)、强反型区(qu)、速(su)度(du)饱和(he)(he)区(qu)。
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