在上一篇文章中我们聊了“Rdson对应MOS管的哪个工作区?”这个问题,并得出Rdson对应的是可变电阻区的结论。在讨论的过程中,提到了Vgs对MOS管导电沟道宽度的控制作用,这里又萌生另外一个问题。
一道问题
照例,先抛出来一道问题:Rdson和Vgs、Vds有怎样的关系?如果Vgs增大,Rdson如何变化?如果Vds增加,Rdson又如何变化?这道题,在面试或笔试中大概率不会涉及。但是为了进一步夯实硬件技术基础,有必要去研究下。
可变电阻区
在《Rdson对应MOS管的哪个工作区?》文章中,我们花大量篇幅讲解Rdson是对应MOS管的可变电阻区。可变电阻区是什么情形?如下图所示:
首先是Vgs>Vth,将衬底中的空穴被向下排斥,衬底中的少子(电子)被向上吸引,形成反型层,产生N型导电沟道。接着是Vds<=Vgs-Vth,由于Vds的存在,沟道会变成梯度,两端的宽度不均匀。满足这两个条件,MOS管才处于可变电阻区。
这上面的过程描述的有些简单粗暴,如果要考虑“Rdson和Vgs的关系”,这还不够,需要把上述过程做进一步细化。
Vds比较小的时候
当外部施加的Vds还比较小时,比如处于mV级别,此时的Vds电压会在沟道内产生电流id。该电流由沟道内的自由电子构成,id的大小就取决于沟道内自由电子的密度,而此时,电子密度是取决于Vgs的大小。
Vgs超过Vth的部分越多,导电沟道内被吸引的自由电子越多,此时可形象地理解为沟道内的载流子就越多,沟道宽度就越大。此时Rdson和(Vgs-Vth)呈反比,电流id和(Vgs-Vth)呈正比。
如果从导电沟道的形状来判断,此时由于Vds较小,沟道还处于矩形或近似矩形,未发生明显的形变。
如果从id-Vds的输出特性曲线来判断,此时曲线的斜率(电导,电阻的倒数)只取决于Vgs-Vth。而我们在讨论可变电阻区时,第一个前置条件就是Vgs>Vth且保持某数值不变,所以此时,输出特性曲线的斜率是不变的,Rdson也是不变的。
以Nexperia的PMX100UNE为例,具体看一下MOS管的Id和Vds的输出特性曲线,在Vds较小时,输出特性曲线近似为一条直线,斜率不变,电导不变,及电阻Rdson不变。此时的Rdson不会随Vds变化,只随Vgs变化。Vgs不变,Rdson不变;Vgs增大,Rdson减小。
Vds增大到不能忽略时
审核编辑:汤梓红
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原文标题:Rdson和Vgs、Vds有怎样的关系?
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