PMOS的电流方向以及工作区理解

在拉扎维一书中，在第二章感觉对PMOS的讨论内容比较少，导致一些细节问题上没能太理解，有必要再进一步讨论一下，也当作一个简单的对比总结。首先讨论电流的参考方向，从结论直观来看电流的参考方向定义为箭头的方向(即对于两种管子，电流的正方向都是从D到S)。那么为什么两者的电流公式会有一个负号呢？(拉扎维式2.15和拉扎维式2.16)对于NMOS，其沟道中的载流子为电子；对于PMOS，其沟道的......

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Alex-YiWang

20551人浏览 · 2021-10-07 10:37:12

Alex-YiWang · 2021-10-07 10:37:12 发布

在拉扎维一书中，在第二章感觉对PMOS的讨论内容比较少，导致一些细节问题上没能太理解，有必要再进一步讨论一下，也当作一个简单的对比总结。

首先讨论电流的参考方向，从结论直观来看电流的参考方向定义为箭头的方向(即对于两种管子，电流的正方向都是从D到S)。

那么为什么两者的电流公式会有一个负号呢？(拉扎维式2.15和拉扎维式2.16)

对于NMOS，其沟道中的载流子为电子；对于PMOS，其沟道的载流子为空穴，这就造成了二者电流方向的必然不同。

虽然这个载流子的迁移率是影响电流大小的关键数据，它的值是不带有方向的(迁移率是恒正的)，负号的产生与他无关。

NMOS饱和区电流公式：

$I_{Dnmos}=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{THn})^2$

NMOS线性区电流公式：

$I_{Dnmos}=\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}[(V_{GS}-V_{THn})V_{DS}-\frac{1}{2}V^2_{DS}]$

PMOS饱和区电流公式：

$I_{Dpmos}=\frac{1}{2}\mu_pC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{THp})^2$

PMOS线性区电流公式：

$I_{Dpmos}=\mu_pC_{ox}\frac{W}{L}[(V_{GS}-V_{THp})V_{DS}-\frac{1}{2}V^2_{DS}]$

首先观察NMOS表达式，可以发现 $I_{Dnmos}$ 参考方向与表达式中 $V_{GS}$ 、 $V_{DS}$ 、 $V_{THn}$ 的参考方向是相同的，即表达式算出来的值即为NMOS在参考方向上的电流大小。

而对于PMOS的表达式来说，尽管它的 $V_{DS}$ 、 $V_{GS}$ 、 $V_{THp}$ 在正常情况下值是负的，如果载流子相同， $I_{Dpmos}$ 的参考方向必然是与他们一致的。但是由于载流子不同，才导致了 $I_{Dpmos}$ 的表达式中存在负号。

同样的，如果PMOS表达式中使用的是 $V_{SD}$ 、 $V_{SG}$ 以及正值的 $V_{THp}$ ，则对应 $I_{Dpmos}$ 的参考方向为从S流向D的方向。

如何对NMOS和PMOS的工作区域进行判断呢？

这个问题有两种方法：

方法一，就是分别进行讨论，注意PMOS中的值都是负数：

工作区	NMOS	PMOS
截止区	$V_{GS}<V_{TH}$	$V_{GS}>V_{TH}$
线性区	$V_{DS}<V_{GS}-V_{TH}$	$V_{DS}>V_{GS}-V_{TH}$
饱和区	$V_{DS}>V_{GS}-V_{TH}$	$V_{DS}<V_{GS}-V_{TH}$

方法二，利用绝对值进行判断：

工作区	NMOS/PMOS
截止区	$\mid V_{GS} \mid< \mid V_{TH}\mid$
线性区	$\mid V_{DS} \mid < \mid V_{GS}\mid-\mid V_{TH}\mid$
饱和区	$\mid V_{DS} \mid > \mid V_{GS}\mid-\mid V_{TH}\mid$