速度飽和效應(yīng)詳解,什么是速度飽和效應(yīng)-KIA MOS管

速度飽和效應(yīng)

速度飽和效應(yīng)：在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下，載流子的漂移速度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加的幅度逐漸降低，并最終趨于飽和狀態(tài)的現(xiàn)象。

這種效應(yīng)在半導(dǎo)體器件中尤為顯著，其中載流子（如電子和空穴）在電場(chǎng)力的作用下定向移動(dòng)形成漂移電流。載流子的漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)為載流子遷移率。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)，載流子的漂移速度將達(dá)到其散射極限速度，此時(shí)漂移電流達(dá)到飽和狀態(tài)。

速度飽和效應(yīng)的發(fā)生與半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和操作條件密切相關(guān)。例如，在金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOS管）中，當(dāng)溝道電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定閾值時(shí)，溝道載流子的速度會(huì)達(dá)到飽和，導(dǎo)致漏極電流不再隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而線性增加。這種現(xiàn)象發(fā)生在MOS管工作在飽和區(qū)時(shí)，即漏源電壓（VDS）超過(guò)柵源電壓（VGS）減去閾值電壓（VTH）的情況下。

速度飽和效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體器件的性能有重要影響。它決定了器件在高電場(chǎng)下的最大電流輸出能力和頻率響應(yīng)特性。

什么是速度飽和效應(yīng)

在半導(dǎo)體器件中，載流子在外加電壓時(shí)，受到電場(chǎng)力的作用而定向移動(dòng)，形成漂移電流，載流子的平均漂移速度V與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，比率就是載流子遷移率μ，即V=uE。

載流子漂移速度不是無(wú)限大的，當(dāng)外加電場(chǎng)足夠大時(shí)，載流子漂移速度將達(dá)到散射極限速度Vscl (Limiting scattering velocity)，將使得漂移電流達(dá)到飽和。

上述給出的漂移速度公式難免會(huì)給人帶來(lái)誤解：當(dāng)載流子遷移率u減小時(shí)，將更不容易發(fā)生速度飽和。實(shí)際上，載流子遷移率ueff和電場(chǎng)強(qiáng)度是相關(guān)的，或者一定程度上，載流子遷移率u減小將導(dǎo)致速度飽和效應(yīng)發(fā)生。

對(duì)速度飽和效應(yīng)的理解

通過(guò)下圖可以更直觀的理解速度飽和效應(yīng)，VDS在尚未達(dá)到飽和區(qū)電壓VGS-VTH時(shí)，電流已經(jīng)發(fā)生飽和，即漏電流提前發(fā)生飽和，此時(shí)的飽和電壓VDO小于過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。

當(dāng)MOS管發(fā)生速度飽和時(shí)，我們可以寫(xiě)出漏極速度飽和電流為：ID=Vsat×Q=Vsat×WCox(VGS-VTH)

如上圖所示，此時(shí)的漏極電流與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓呈線性關(guān)系，而不是平方關(guān)系。我們可以用這種線性關(guān)系來(lái)表示發(fā)生了速度飽和，飽和區(qū)MOS管IV特性也可能介于線性與平方關(guān)系之間。

對(duì)于具有特定溝道長(zhǎng)度的晶體管，例如溝道長(zhǎng)度為0.5um的晶體管，當(dāng)漏源電壓超過(guò)0.75V時(shí)，將會(huì)引發(fā)速度飽和。在飽和區(qū)，漏極電流的行為更符合平方關(guān)系，尤其是在過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)。

因?yàn)樵趯?shí)際操作中，縱向電場(chǎng)的作用下，載流子會(huì)朝著斜上方運(yùn)動(dòng)。當(dāng)縱向電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)時(shí)，載流子會(huì)被局限在絕緣層下的狹窄區(qū)域，導(dǎo)致更多的散射事件，從而減小了載流子的遷移率。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致實(shí)際載流子遷移率的減小，進(jìn)而影響MOS晶體管的IV特性。

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