微电子器件(4-6).

4.6MOSFET的小信号参数、高频等效电路及频率特性4.6.1MOSFET的小信号交流参数1、跨导gmDSDmGS|VIgV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。2DGSTDSDS12IVVVV2DsatGST12IVV非饱和区饱和区DSmVgmsGSTDsatgVVV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。LZ以VGS作为参变量的gm~VDS特性曲线2、漏源电导gdsGSDdsDS|VIgV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dsGSTDSgVVVdsGSTon1gVVR0DSDsatsatdsVIg）（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0dddddGSmDSdsGSGSDDSDSDDVgVgVVIVVII3、电压放大系数DDSGS|IVV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。DSDSmGSdsGSTDSVVgVgVVVsatdsmsS）（gg4.6.2MOSFET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gsgsOXgdnOXGSTgddsdsdssat225310()LRCZLCRZCVVCrLg，，，，，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mmmsmsmsgg()11gggfjjfmnGSTg2gsgs11528VVfRCL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。|)(|msg21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。mnGSTg2gsgs11528VVfRCL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Cgs、Cgd以及Cds。RS为源体电阻与源电极接触电阻之和，它在共源极接法中起负反馈作用，使跨导gm降低，mSmDSGSDGSDm1dddddgRgIRVIVIg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，dsDDdsDSDSSDDSDdsddddd1gIIgVVRRIRRgDsatDsatSDDsatVVRRI硅栅自对准结构可减小交迭部分，从而减小Cgs与Cgd。Cgs与Cgd由金属栅与漏、源区的交迭部分构成，其中特别是Cgd将在漏与栅之间起负反馈作用，使增益降低。AlSiPolygsCgdC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gsggsVgdgsgsgs11jCijCAjCvjRC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AV0，(1–AV)0。（4-137）输出电流msdVgdgsgsgs11giAjCvjRC（4-140）一般情况下，，，这时输入、输出电流分别成为：gsgsg1mCRmsVgd1gACggsgsVgdgs1ijCjCAjCvdmsgsigv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）gdgsgsmsT2CCCgf根据最高工作频率fT的定义，得fCCCgiigdgsgsmsgd2当忽略寄生电容Cgs和Cgd时，得本征最高工作频率为（4-142a）（4-142b）gdgsgsmsT2CCCgfnGSTmsT2gs13222VVgfCL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。nGSTmsT2gs13222VVgfCLds2gs2msL2domaxgsmsdgs2gs2gs2gs2gingsgsgsgsgsgsg||41||21||||1rvgRiPvgiRvCRiPvCjCRjvCji当输出端共轭匹配，并忽略寄生电容Cgs和Cgd时，于是可得MOSFET的最大高频功率增益为22omaxmsdsmsdspmax2222ingsgsgsgs442PgrgrKPCRfCR可见，，即每倍频下降6分贝。2maxp1fKds2gs2msL2dmaxogs2gs2gs2gs2gin||41||||||rvgRiPRvCRiP21gsdsT21gsdsgsmsM442RrfRrCgf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。2msdspmax22gsgs42grKfCR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。t0ndLyyE将式（4-60）的饱和区沟道电场分布GST122()2yVVEyLLy2tnGST43LVV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mgt52ftT22f