理想 NMOS 的工作模式

NMOS 一般有三种工作状态，只由 和 两处电压进行调控。 调控 NMOS 的开关状态， 则是调控 NMOS 的工作区间。在 NMOS 工作时，衬底通常接地，源极保持和衬底一样的电位（以避免体效应）。

1. 截止

在栅极电压为 0 的时候，漏和源相当于两个阴极相连的二极管，这样使得即使施加漏源电压 ，电流也无法从漏到源导通。此时形成了约 的电阻。

2. 导通

当在栅极施加的电压满足 的时候，NMOS 导通。NMOS 导通的过程总结为，先耗尽再反型。

2.1. 形成耗尽层

我们将源极和漏极接地，并在栅极上施加一个正电压。由于源极接地，栅极电压实际上出现在栅极和源极（或漏极，以源级为例）之间，表示为 。

栅极上的正电压首先导致自由空穴（带正电）从栅极下方的衬底区域（沟道区域）被排斥。这些空穴被向下推入衬底，形成一个新的不含自由载流子的耗尽层。

2.2. 形成反型层

栅源电压除了对衬底中的空穴有排斥作用，对于源级和漏极中的自由电子同样有吸引作用。当栅源电压大于阈值电压 时，就会形成反型层，使得源级和漏极之间导通。阈值电压 就是形成沟道的最小栅源电压。

形成沟道之后，栅极和沟道就共同构成了一个以氧化层为介质的平行板电容。我们用氧化物电容 来描述这个平行板电容器的单位栅极面积的电容。

过载电压（有效电压）就是栅源电压和阈值电压之间的差值。

过载电压

为栅源电压； 为阈值电压

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3. 施加漏源电压

在漏源电压为 0 的时候，可以看出沟道处处电压为 0。并且施加于氧化层介质上的电压处处等同于栅源电压 。

3.1. 线性区

NMOS 线性区

当有 时，说明 NMOS 进入线性区。并且有 ，说明 NMOS 并未进入饱和区。

当我们施加较小的漏源电压时，自由电子从源级向漏极运动，形成了 漏极电流。

长沟道 MOS 器件线性区漏极电流计算式

为工艺跨导参数

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NMOS 线性区漏极电流计算式推导

由此我们也知道了漏源电阻。

漏源电阻计算式

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3.2. 饱和区

NMOS 饱和区

当满足 并且 的时候，NMOS 沟道开始夹断进入饱和区。此时 I-V 关系变为非线性关系，并且由于在感应形成的沟道上的电压差（从夹断点到源）保持在 （也就是夹断之后，），由此电流保持为常数。

对于长沟道器件而言，当通道开始夹断的时候，漏极电流还需要考虑沟道长度调制效应对沟道的影响。

NMOS 饱和区的漏极电流计算式

为沟道长度调制系数。

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