Obszary pracy tranzystora MOS

     Zmiany napięcia drenu Vd oraz bramki Vg względem napięcia źródła Vs nie wpływają na kształt charakterystyk statycznych, natomiast decydują o stanie pracy tranzystora. Wraz ze wzrostem napięcia Vd punkt pracy tranzystora przesuwa się w kierunku nasycenia ( dla małych napięć tranzystor pozostaje w obszarze liniowym, zaś dla zwiększającego się napięcia nośniki osiągają swoją maksymalną prędkość i tranzystor wchodzi w nasycenie ). Wraz ze wzrostem napięcia bramki, dla identycznych napięć Vds, prąd drenu Ids zwiększa się.

     Program rozróżnia cztery obszary pracy tranzystora: 

     obszar odcięcia (cut-off):

     V_gs - V_t < 0 ( V>_gs=0 )    I_ds=0

     obszar liniowy ( linear ):

     V_ds<V_gs-V_t V_gs>0     I_ds=K*W/L(1+g*V_ds)V_ds(V_gs-V_to)-V_ds/2)

     obszar nasycenia (saturated):

     V_ds>V_gs-V_t    I_ds=K/2*W/L*((V_gs-V_t)²-(V_ds-V_gs+V_t)*l)

     obszar podprogowy ( sub-threshold ):

     V_ds>0    I_ds = I₀*W/L *exp(V_gs/nss)*V_ds 

     gdzie:     

    I₀         - prąd nasycenia
     nss     - gęstość stanów powierzchniowych
     l        - współczynnik modulacji długości kanału
     W       - szerokość kanału
     L        - długość kanału
     K        - współczynnik transkonduktancji
     V_t       - napięcie progowe
     g         - współczynnik progowy materiału

Rys.1. Charakterystyka wyjściowa tranzystora NMOS z zaznaczonymi obszarami pracy.

     Obszar odcięcia odpowiada sytuacji, gdy napięcie bramki jest poniżej najmniejszego możliwego napięcia otwierającego kanał, czyli przez tranzystor nie płynie żaden prąd.
     Obszar podprogowy odpowiada z kolei sytuacji, gdy napięcie bramki przekroczyło wartość graniczną, ale jednocześnie nie jest wystarczająco duże, aby stworzyć warstwę inwersyjną i otworzyć kanał - przewodzenie zachodzi więc w warstwie powierzchniowej, która jako pierwsza podlega inwersji - stąd w równaniu na wartość prądu obszaru podprogowego pojawia się współczynnik nss - koncentracji stanów powierzchniowych.
     Tranzystor wchodzi w obszar liniowy, gdy napięcie drenu jest stosunkowo małe i kanał zostaje otwarty napięciem bramki przekraczającym wartość konieczną dla załączenia pełnej objętości kanału( kanał zachowuje się tutaj jak regulowana rezystancja).
     Dla napięcia drenu Vds>Vgs-Vt tranzystor wchodzi w nasycenie - prąd drenu jest wówczas w małym stopniu zależny od napięcia na drenie .

Wpływ temperatury na współczynnik transkonduktancji oddaje równanie:

     K_p=K_o(T/300)^-1.5 

     gdzie:

   K_o- współczynnik transkonduktancji dla temperatury 300 K
    T - temperatura w Kelwinach 

Wpływ modulacji ruchliwości na współczynnik transkonduktancji jest uwzględniony w równaniu:

     K=K_p/[1+q(V_gs-V_to)]

     gdzie:

     q   - modulacja ruchliwości
     K_p - współczynnik transkonduktancji z uwzględnieniem wpływu temperatury

Wpółczynnik transkonduktancji zależy też od grubości warstwy tlenku 

      K_p=m_p*e₀* e_s / tox        K_n=m_n*e₀* e_s / tox

      gdzie:

      m _n = 510 cm²/Vs - ruchliwość elektronów
      m _p = 270 cm²/Vs - ruchliwość dziur
      e ₀ = 3.9 - przenikalność elektryczna próżni
      e _s = 8.85*10-14 F/m - przenikalność elektryczna względna krzemu
      tox - grubość warstwy tlenku

     Współczynnik transkonduktancji zależy od ruchliwości nośników , przenikalności elektrycznej materiału oraz grubości warstwy tlenku. Zwiększanie grubości warstwy tlenku powoduje zmniejszanie współczynnika transkonduktancji i w efekcie zmniejszenie wartości uzyskiwanego prądu drenu.

Rys.2. Wpływ grubości warstwy tlenku tox na charakterystykę wyjściową tranzystora NMOS.