MOS晶体管的工作原理       

首先讨论将栅极与源极短路、接地（V_GS=OV）时的状况。如图1.9所示的MOS晶体管。这种状态下，虽然漏极上加电压V_DS，但是在漏极—源极间简直没有电流流过。为什么？如图1.10所示，这是由于此时的漏极与源极间能够等效为两个pn结二极管反向连接。

工作原理

1．V_GS从0V→渐增加
     当栅极—源极间的电压V_GS从0V逐步增加时（图1.11），那么在一定电压下，如图1. 12所示，在栅氧化膜下面会构成称为沟道的n型化的区域，即构成n型反型层。这个沟道就是将源区与漏区l连接起来的电子通路。这时如图1.12所示，当漏极加电压V_DS时，漏极—源极间就有电流流过，该电流叫做漏极电流。把构成沟道所必需的栅极—源极间的电压叫做阈值电压V_T，关于Si MOS晶体管来说，大约是0.6V。用V_TN、V_TP分别表示NMOS晶体管和PMOS晶体管的阚值电压。栅极—源极间所加电压V_GS高于阈值电压V_T构成沟道的状态称为强反型状态(strong inversion)。    

2.当V_GS大于V_T，V_DS增加时
    在坚持V_GS大于VT前提下，V_DS逐步从OV增大时，如图1.13(a)所示，漏极电流ID也在增加。这时的漏极电流表达式由下式给出：

式中，W是MOS晶体管的沟道宽度；L是MOS晶体管的沟道长度。w与L都是重要的参数，沟道宽度W和长度L如何肯定是晶体管设计中的重要问题，这里首先需求留意的是，漏极电流ID与沟道宽度W成比例，而与沟道长度L成反比。

基础参数

  我们再来看式(1.1)中的其他参数。μ是载流子迁移率，在NMOS与PMOS中分别是电子和空穴的迁移率，用μn和μp表示。其典型值为

就是说，PMOS与NMOS的迁移率相差3倍。假如晶体管的电流驱动才能相同，那么NMOS的尺寸大小就只要PMOS的1/3。    
Cox是MOS晶体管单位面积的栅电容，由下式给出：

式中，εox真空介电常数(8.85X10-14［F/cm］）,εox为栅氧化膜的相对介电常数（SiO2是3.9）；tox是栅氧化膜的厚度。    

式(1.1)表示的漏极电流表达式适用的条件是V_GS>VT，V_DS≤V_GS-V_T。在这个条件下MOS晶体管的工作区域称为非饱和区，也叫做线性区(linear region）    

当V_DS处于OV左近时，精确地说，是当V_DS《2(V_GS-V_T)时，式(1.1)右边的第2项能够疏忽不计，能够近似为下式：  

 由该式能够看出，当V_DS《2(V_GS-V_T)时，I_D与V_DS成比例。实践上，如图1.13(b)所示，在VDS接近ov的区域，能够看到I_D与VDS，成比例地增加。随着V_DS的增大，式(1.1)中的-V_DS2／2变得不可疏忽，这时I_D的增加就迟缓了。
    在V_GS大于V_T的强反型状态，假如漏极-源极电压进一步增加，到达V_DS=V_GS-V_T时，漏极电流ID就变为下式：

    在漏极-源极间电压进一步增加的状况下（也就是VDS>VGS -VT），漏极电(流不再像前面那样增加，根本上是一定值，其值由式(1.4)给出。这个工作区域（V_DS>V_GS-V_T）称为饱和区。

工作基本原理

    4．模仿电路工作在饱和区
    图1. 14示出漏极电流ID与漏极-源极间电压V_DS的关系。非饱和区与饱和区R的分界是

    图1. 15是以栅极-源极间电压V_GS为参变量的状况下漏极电流ID与漏极-源极间电压V_DS的关系。随着V_GS的增加，I_D也在增。虚线表示饱和区与非饱和区的分界。能够看出，V_GS越高为了使晶体管丁作在饱和区就需求更大的V_DS。

    再来讨论以栅极-源极间电压V_GS为横轴时漏极电流I_D的变化。当MOS晶体管工作在饱和区时，由于这时的I_D由式(1.4)给出，所以如图1.16所示，I_D与V_GS的关系是2次方特性。
    取式(1.4)两边的平方根，就是

能够看出，ID是V_GS的一次函数。图1.17示出ID与V_GS的关系。从该图中可以看出，在V_GS>V_T时，I_D是V_GS的一次函数。外插直线与横轴V_GS的交点就是阈值电压V_T。