晶体管原理与设计（微电子器件）第56章

5.6 MOSFET 的的小信号参数、高频等效电路及小信号参数、高频等效电路及频率特性频率特性 5.6.1 MOSFET5.6.1 MOSFET 的小信号交流参数的小信号交流参数的小信号交流参数的小信号交流参数 1 1、跨导、跨导、跨导、跨导 g gmm 跨导跨导跨导跨导 代表转移特性曲线的斜率，它反映了栅源电压代表转移特性曲线的斜率，它反映了栅源电压 VGS 对对漏电流漏电流 ID 的控制能力，即反映了的控制能力，即反映了 MOSFET 的增益的大小。的增益的大小。非饱和区非饱和区 饱和区饱和区 为了提高跨导为了提高跨导 gms，从器件角度，应提高从器件角度，应提高 ，即增大即增大 ，提高迁移率提高迁移率 ，减小，减小 TOX。从电路角度，应提高从电路角度，应提高 VGS。以以 VGS 作为参变量的作为参变量的 gm VDS 特性曲线特性曲线 2 2、漏源电导、漏源电导、漏源电导、漏源电导 g gdsds gds 是输出特性曲线的斜率，也是增量输出电阻是输出特性曲线的斜率，也是增量输出电阻 rds 的倒数。的倒数。非饱和区非饱和区 当当 VDS 很小时很小时 饱和区饱和区 实际上，实际上，IDsat 随着随着 VDS 的增加而略微增大，使的增加而略微增大，使(gds)sat 略大略大于于 0。降低。降低(gds)sat 的措施与降低有效沟道长度调制效应的措施的措施与降低有效沟道长度调制效应的措施是一致的。是一致的。以以 VGS 为参变量的为参变量的 gds VDS 特性曲线特性曲线 3 3、电压放大系数、电压放大系数、电压放大系数、电压放大系数 在非饱和区，对在非饱和区，对 ID 求全微分并令其为零，求全微分并令其为零，饱和区饱和区 实际上，因有效沟道长度调制效应等原因，实际上，因有效沟道长度调制效应等原因，S 为有限值为有限值。模拟电路中的模拟电路中的 MOSFET 常工作在饱和区，希望常工作在饱和区，希望 S 尽量大，故应尽量大，故应尽量增大尽量增大 gms，减小减小(gds)sat。5.6.2 MOSFET5.6.2 MOSFET 的的的的小信号高频等效电路小信号高频等效电路小信号高频等效电路小信号高频等效电路 1 1、一般推导、一般推导、一般推导、一般推导 本征本征 MOSFET 的的共源极共源极小信号高频等效电路为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一般工作在饱和区，饱和区中各元件可由下式表示 2 2、饱和区小信号等效电路饱和区小信号等效电路饱和区小信号等效电路饱和区小信号等效电路 为了反映为了反映 IDsat 随随 VDS 增加而略有增大的实际情况，增加而略有增大的实际情况，rds 应为应为有限值。于是可得饱和区的等效电路有限值。于是可得饱和区的等效电路 f fgmgm 称为称为 跨导的截止频率跨导的截止频率跨导的截止频率跨导的截止频率，代表当跨导，代表当跨导 下降到低频下降到低频值的值的 时的频率。时的频率。图中，图中，（5-126）为了提高为了提高 fgm，从器件制造角度，主要应缩短沟道长度从器件制造角度，主要应缩短沟道长度 L，其次是应提高载流子迁移率其次是应提高载流子迁移率 ，所以所以 N 沟沟道道 MOSFET 的性能比的性能比 P 沟沟道道 MOSFET 好；好；从器件使用角度，则应提高栅源电压从器件使用角度，则应提高栅源电压 VGS。4 4、寄生参数寄生参数寄生参数寄生参数 加上寄生参数后的加上寄生参数后的 MOSFET 饱和区等效电路饱和区等效电路 MOSFET 的寄生参数有源极串联电阻的寄生参数有源极串联电阻 RS、漏极串联电阻漏极串联电阻 RD、栅极与源、漏区的交迭电容栅极与源、漏区的交迭电容 C gs、C gd 以及以及 C ds。RS 为源体电阻与源电极接触电阻之和，它在共源极接法中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，使跨导起负反馈作用，使跨导 gm 降低，降低，RD 为漏体电阻与漏电极接触电阻之和，为漏体电阻与漏电极接触电阻之和，RS 与与 RD 的存在会的存在会使使 VDsat 增大，使增大，使 gds 减小，减小，硅栅自对准结构硅栅自对准结构硅栅自对准结构硅栅自对准结构 可减小交迭部分，从而减小可减小交迭部分，从而减小 C gs 与与 C gd 。C gs 与与 C gd 由由金属栅与漏、源区的交迭部分构成，其中特金属栅与漏、源区的交迭部分构成，其中特别是别是 C gd 将将在漏与栅之间起负反馈作用，使增益降低。在漏与栅之间起负反馈作用，使增益降低。5.6.3 5.6.3 最高工作频率和最高振荡频率最高工作频率和最高振荡频率最高工作频率和最高振荡频率最高工作频率和最高振荡频率 定义：定义：定义：定义：使最大输出电流与输入电流相等，即最大电流增益使最大输出电流与输入电流相等，即最大电流增益 下降到下降到 1 时的频率，称为时的频率，称为 最高工作频率最高工作频率最高工作频率最高工作频率 ，记为，记为 f fT T 。当当输出端短路时，能够得到最大输出电流。输出端短路时，能够得到最大输出电流。当当输出端共轭匹配，即输出端共轭匹配，即 RL=rds 时时，能够得到最大输出功率。，能够得到最大输出功率。定义：定义：定义：定义：使使最大功率增益最大功率增益 Kpmax下降到下降到 1 时的频率，称为时的频率，称为 最高最高最高最高振荡频率振荡频率振荡频率振荡频率 ，记为，记为 f fMM 。输入电流输入电流式中，式中，AV =vo/vgs，代表放大器的电压放大系数。由于代表放大器的电压放大系数。由于 vgs 和和 vo 的相位相反，故的相位相反，故 AV 0。（5-137）输出电流输出电流（5-140）一般情况下，一般情况下，这时，这时输入、输出电流输入、输出电流分别成为：分别成为：当输出端短路时，当输出端短路时，vo=0，因此因此 AV=0，于是根据最高工作于是根据最高工作频率频率 fT 的定义，可得的定义，可得 当忽略当忽略寄生寄生电容电容 C gs 和和 C gd 时，得本征最高工作频率为时，得本征最高工作频率为 （5-142a）（5-142b）提高提高最高工作频率最高工作频率 fT 的措施：的措施：缩短沟道长度缩短沟道长度 L，提高载流子迁移率提高载流子迁移率 ，提高栅源电压，提高栅源电压 VGS。这些都与提高跨导的截止频率这些都与提高跨导的截止频率 fgm 的要求相同。的要求相同。当当输出端共轭匹配，输出端共轭匹配，并忽略并忽略寄生寄生电容电容 C gs 和和 C gd 时，时，于是可得于是可得 MOSFET 的最大高频功率增益为的最大高频功率增益为 可见，可见，即每倍频下降，即每倍频下降 6 分贝。分贝。提高提高 fM 的主要措施是提高的主要措施是提高 fT，即缩短沟道长度即缩短沟道长度 L，并提高并提高rds，即降低有效沟道长度调制效应。即降低有效沟道长度调制效应。考虑到寄生参数后，考虑到寄生参数后，Kpmax 和和 fM 会比上式低一些。会比上式低一些。根据最高振荡频率根据最高振荡频率 fM 的定义，可得的定义，可得 5.6.4 沟道渡越时间沟道渡越时间 载流子从源区经沟道到达漏区所需的时间，称为载流子从源区经沟道到达漏区所需的时间，称为 沟道渡越沟道渡越沟道渡越沟道渡越时间时间时间时间 t t 。将式（将式（5-60）的饱和区沟道电场分布）的饱和区沟道电场分布代入，得饱和区的沟道渡越时间为代入，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，可得与跨导的截止频率以及最高工作频率相比较，可得