微电子器件(5-6).ppt

* 5.6 MOSFET 的小信号参数、高频等效电路及频率特性 5.6.1 MOSFET 的小信号交流参数 1、跨导 gm 跨导是转移特性曲线的斜率，它反映了栅电压 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 gm 一般为几 ~ 几十毫西门子。 为了提高 gm ，从器件制造角度，应提高β，即增大 ，提高迁移率 ? ，减小 TOX 。从电路使用角度，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，即： 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 。 5.6.2 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如下： ωgm 称为 跨导的截止角频率，代表当 下降到低频值的 时的角频率。 图中， （5-126） 由上式可见，为了提高ωgm ，从器件制造角度，主要是应缩短沟道长度 L ，其次是应提高载流子迁移率 ? ，所以 N 沟道 MOSFET 比 P 沟道 MOSFET 好；从器件使用角度，则应提高栅源电压 VGS 。 3 、本征电容 Cgs 和 Cgd 式中， 当 VDS = 0 时， 当 VDS = VGS -VT 时， 4 、寄生参数 加上寄生参数后的饱和区等效电路如下： 实际 MOSFET中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， 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，gds 减小， 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 由金属栅极与漏、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。 5.6.3 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。最大输出电流将随频率的提高而下降。 当输出端实现共轭匹配，即 RL = rds 时，能够得到最大输出功率。最大输出功率将随频率的提高而下降。 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，( 1 –AV ) 0。 （5-137） 输出电流： （5-140） 一般情况下 ， ，这时输入、输出电流分别成为