微电子器件（4-6）.ppt

4.6 MOSFET 的小信号参数、高频等效电路及频率特性,4.6.1 MOSFET 的小信号交流参数,1、跨导 gm,跨导 代表转移特性曲线的斜率，它反映了栅源电压 VGS 对漏电流 ID 的控制能力，即反映了 MOSFET 的增益的大小。,非饱和区,饱和区,为了提高跨导 gms，从器件角度，应提高，即增大，提高迁移率，减小 TOX。从电路角度，应提高 VGS。,以 VGS 作为参变量的 gm VDS 特性曲线,2、漏源电导 gds,gds 是输出特性曲线的斜率，也是增量输出电阻 rds 的倒数。,非饱和区 当 VDS 很小时 饱和区,实际上，IDsat 随着 VDS 的增加而略微增大，使(gds)sat 略大于 0。降低(gds)sat 的措施与降低有效沟道长度调制效应的措施是一致的。,以 VGS 为参变量的 gds VDS 特性曲线,3、电压放大系数,在非饱和区，对 ID 求全微分并令其为零，,饱和区,实际上，因有效沟道长度调制效应等原因，S 为有限值。模拟电路中的 MOSFET 常工作在饱和区，希望 S 尽量大，故应尽量增大 gms，减小(gds)sat。,4.6.2 MOSFET 的小信号高频等效电路,1、一般推导,本征 MOSFET 的共源极小信号高频等效电路为,上图中各元件的值与工作点有关。模拟电路中的 MOSFET一般工作在饱和区，饱和区中各元件可由下式表示,2、饱和区小信号等效电路,为了反映 IDsat 随 VDS 增加而略有增大的实际情况，rds 应为有限值。于是可得饱和区的等效电路,fgm 称为 跨导的截止频率，代表当跨导 下降到低频值的 时的频率。,图中，,（4-126）,为了提高 fgm，从器件制造角度，主要应缩短沟道长度 L，其次是应提高载流子迁移率，所以 N 沟道 MOSFET 的性能比 P 沟道 MOSFET 好；从器件使用角度，则应提高栅源电压 VGS。,4、寄生参数,加上寄生参数后的 MOSFET 饱和区等效电路,MOSFET 的寄生参数有源极串联电阻 RS、漏极串联电阻 RD、栅极与源、漏区的交迭电容 Cgs、Cgd 以及 Cds。,RS 为源体电阻与源电极接触电阻之和，它在共源极接法中起负反馈作用，使跨导 gm 降低，,RD 为漏体电阻与漏电极接触电阻之和，RS 与 RD 的存在会使 VDsat 增大，使 gds 减小，,硅栅自对准结构 可减小交迭部分，从而减小 Cgs 与 Cgd。,Cgs 与 Cgd 由金属栅与漏、源区的交迭部分构成，其中特别是 Cgd 将在漏与栅之间起负反馈作用，使增益降低。,4.6.3 最高工作频率和最高振荡频率,定义：使最大输出电流与输入电流相等，即最大电流增益 下降到 1 时的频率，称为 最高工作频率，记为 fT。,当输出端短路时，能够得到最大输出电流。,当输出端共轭匹配，即 RL=rds 时，能够得到最大输出功率。,定义：使最大功率增益 Kpmax下降到 1 时的频率，称为 最高振荡频率，记为 fM。,输入电流,式中，AV=vo/vgs，代表放大器的电压放大系数。由于 vgs 和 vo 的相位相反，故 AV 0。,（4-137）,输出电流,（4-140）,一般情况下，这时输入、输出电流分别成为：,当输出端短路时，vo=0，因此 AV=0，于是可得 MOSFET的高频小信号最大电流增益为,（4-142a）,根据最高工作频率 fT 的定义，得,当忽略寄生电容 Cgs 和 Cgd 时，得本征最高工作频率为,（4-142a）,（4-142b）,提高最高工作频率 fT 的措施：缩短沟道长度 L，提高载流子迁移率，提高栅源电压 VGS。这些都与提高跨导的截止频率 fgm 的要求相同。,当输出端共轭匹配，并忽略寄生电容 Cgs 和 Cgd 时，,于是可得 MOSFET 的最大高频功率增益为,可见，即每倍频下降 6 分贝。,提高 fM 的主要措施是提高 fT，即缩短沟道长度 L，并提高rds，即降低有效沟道长度调制效应。,考虑到寄生参数后，Kpmax 和 fM 会比上式低一些。,根据最高振荡频率 fM 的定义，可得,4.6.4 沟道渡越时间,载流子从源区经沟道到达漏区所需的时间，称为 沟道渡越时间 t。,将式（4-60）的饱和区沟道电场分布,代入，得饱和区的沟道渡越时间为,与跨导的截止频率以及最高工作频率相比较，可得,