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1、90/121第三章 MOSFET的基本特性3.1 MOSFET的结构和工作原理3.2 MOSFET的阈值电压3.3 MOSFET的直流特性3.4 MOSFET的频率特性3.5 MOSFET的开关特性3.6 MOSFET的功率特性91/1213.4 MOSFET的频率特性13.4.1 交流小信号等效电路1. MOSFET 的电容dtdVCGD GDdtdVCGS GSn+n+GSDiGiSiDCGSOCGDOCJSCJDCGBB92/1213.4 MOSFET的频率特性23.4.1 交流小信号等效电路1. MOSFET 的电容低频（直流）时IGS 0IDS(VGS, VDS)DSDGSmDS V
2、DSDS GS VGSDS DSdVgdVgdVVIdVVIdIGSDS+=+=DSDGSmDSvgvgi+=高频时dtdVCdtdVCiGD GDGS GSG+=dtdVCvgvgiGD GDDSDGSmD+=DGii +dtdVCvgvgiGS GSDSDGSmS+=93/1213.4 MOSFET的频率特性33.4.1 交流小信号等效电路2. 计算分布电容 CGS和 CGDGBGDVVGSG GSVQC,GBGSVVGDG GDVQC,()()=+=LALnBIGdyydNqWdyyQWQQQ 0max0)()(bLnWLQdyyQW=0)(常数，只与 VGB有关()()2/12/122
3、BSBAsVVNq+ )()(yVVVCyQTGSoxn=dVyQIWdyn DSn)(=BVTGS DSoxn GQdVyVVVICWQDS=0222 )(线性区94/1213.4 MOSFET的频率特性43.4.1 交流小信号等效电路2. 计算分布电容 CGS和 CGD()()BDSTGSTGS DSoxn GQVVVVVIWCQ=33223()()BTGDTGS DSoxnQVVVVIWC=33223DSDSTGSoxnDSVVVVLWCI=21（线性区）()()22 2DSTGSTGSoxnVVVVVLWC=()()22 2TGDTGSoxnVVVVLWC=()() ()()B TGD
4、TGSTGDTGS oxGQVVVVVVVVWLCQ=223332（线性区）()BTGSoxGQVVWLCQ=32（饱和区：VGD= VT）95/1213.4 MOSFET的频率特性53.4.1 交流小信号等效电路2. 计算分布电容 CGS和 CGD 线性区 () () +=22,2132TGDGSTGD ox VVGSG GSVVVVVWLCVQCGBGDWLCox21VGS VGD() () +=22,2132TGDGSTGS ox VVGDG GDVVVVVWLCVQCGBGSWLCox21VGS VGD饱和区： VGD= VTGoxGSCWLCC32 32=0=GDC0,=GDGSVV
5、GBG GBVQC0=GBCWLCCoxG单位： F96/1213.4 MOSFET的频率特性63.4.1 交流小信号等效电路3. 等效电路gmvGS+GSDCGSgD1S+RGSCGD对 CGS充电时，等效沟道串联电阻()TGSGSVVR=1 52()TGSonVVR197/1213.4 MOSFET的频率特性73.4.1 交流小信号等效电路3. 等效电路实际 MOSFET 高频等效电路SGCGSRGS CGSOgmvGSSgD1DCGDCGDODRSRDBDDDSCjDCjSCGB98/1213.4 MOSFET的频率特性83.4.2 高频特性1. 跨导截止频率GSGSm RCig +=1
6、GSGSGSDSGSDS mVV VI VIg =)(GS GSGS m RCiCig += 11GSGSgRCm1=饱和区()()214151 52 32 LVV VVCTGSnTGSGgm= = gmvGS+GSDCGSgD1S+RGSCGD= 0（饱和区）vGSvGS99/1213.4 MOSFET的频率特性93.4.2 高频特性2. 截止频率 (最高振荡频率) fTgmvGS+GSDCGSgD1S+RGSCGD= 0（饱和区）vGSvGS iGSGSCi1定义时0= DSvDSGSiiTff =1GSGSGSGS GSvCiCivi= 0GSmvDSvgi DS=DSGSii= GSm
7、GSGSTvgvC=GSm TCg=GSm TCgf2=100/1213.4 MOSFET的频率特性103.4.2 高频特性2. 截止频率 (最高振荡频率) fTGSm TCgf2=饱和区()TGSoxnmVVLWCg=WLtCoxox GS 32=()243 LVVfTGSn T= 3. 沟道渡越时间假设沟道中为均匀电场LVyEDSsat=)(DSsatnDSsat nnVLLVL yEL 2)(=问题：考虑实际沟道为非均匀电场，则结果如何 ？101/1213.4 MOSFET的频率特性113.4.2 高频特性4.提高 fT的途径 ()243 LVVfTGSn T= 1o (100) n 沟
8、2oL3oCGSOCGDO考虑寄生电容时，输入电容GSOGSiCCC+=反馈电容GDOGDfCCC+=gmvGS+GSDCigD1SVDDRGSCf 0vGSvGS+RL|GV|vGS不考虑反馈电容 Cf时，im TCgf2=考虑反馈电容 Cf时，Cf两端电压()GSVGSVGSvGvGv+=+=1Cf折合到输入端 ()fVCG+1102/1213.4 MOSFET的频率特性123.4.2 高频特性4.提高 fT的途径gmvGS+GSDCiS+vGS()()GDOGDVGSOGSmim TCCGCCg Cgf+=122饱和区，CGD= 0， GV很大()GDOVm TCGgf+12 降低寄生电
9、容，减小 Overlap103/1213.4 MOSFET的频率特性133.4.2 高频特性4.提高 fT的途径降低寄生电容的结构105/1213.5 MOSFET的开关特性13.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器1. MOS 倒相器的开关作用+VDDvDS(t) vGS(t)+RDC+v(t)VTvGS(t)10%90%0tontofftvDS(t)IDSVDSAB电容 C 的来源：? 输出信号线与衬底电容；? 下级 MOS 管的输入电容.? 漏结电容；VonVoff0VDD负载线106/1213.5 MOSFET的开关特性23.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器2. MOS 倒相器的开关时
10、间(1) tont : 0 ton工作点 : B A充放电过程 : 电容 C 通过沟道电阻 R 放电R(t) : 1 )( onDg估算 ton:)(1)(onDgtR则msonDongC gCCtRt=)()(Cgms ton+VDDRDC高电平RVDSIDSVDSABVonVoff0VDD107/1213.5 MOSFET的开关特性33.5.1 电阻型负载 MOS 倒相器2. MOS 倒相器的开关时间(2) tofft : 0 toff工作点 : A B充放电过程 : VDD通过 RD对电容 C 充电估算 toff:CRtDoff=CRD toff受倒相器的逻辑摆幅限制VDSABVonVo
11、ff0VDDIDS+VDD+RDC 低电平VDS108/1213.5 MOSFET的开关特性4负载（M2）：有源负载当时，负载管导 通，且处于饱和区。2TDDDSVVV导通过程：与电阻型负载相同（ton）。关断过程：IDS非线性，比电阻型负载慢。负载管（M2）需考虑衬偏效应BSTTVV,2=VDS+VDDvDS(t) vGS(t)+C+M2M1IDSABVonVoff0VDDVDDVT2Ion电阻型负载单沟道增强型负载3.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）109/1213.5 MOSFET的开关特性53.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS） +VDDv
12、DS(t) vGS(t)+C+M2M1IDSABVonVoff0VDDVDDVT2Ion电阻型负载单沟道增强型负载导通态电压 Von、 电流 Ion导通时（A）：M1线性区M2饱和区M2：()2 ,2BSTonDDL onVVVI=()2,2BSTDDLVV()BSTDDmLVVg ,2=M1：() =2 121 ononTGGDonVVVVI()onmDonTGGDVgVVV=1()BSTDD mDmL onVVggV,2=()BSTDDmL onVVgI,2=110/1213.5 MOSFET的开关特性63.5.2 增强型-增强型 MOS 倒相器（E-E MOS）关断时（B）：M1截止区
13、M2饱和区BSTDDoffVVV,E-E MOS 的优点：1o面积小，集成度高；2o单沟道.E-E MOS 的缺点：1otoff长；2o导通态功耗大；3o存在衬偏效应.+VDDvDS(t) vGS(t)+C+M2M1IDSABVonVoff0VDDVDDVT2Ion电阻型负载单沟道增强型负载111/1213.5 MOSFET的开关特性73.5.3 增强型-耗尽型 MOS 倒相器（E-D MOS）+VDDvDS(t) vGS(t)+C+M2M1负载管（M2）：耗尽型当时，负载管永远导通。DDDSVV导通过程：与电阻型、增强型负载相同（ton）。关断过程：IDS非线性，比电阻型、增强型负载快IDS
14、ABVonVoff0VDDIonVDS耗尽型负载导通时（A）：M1线性区M2饱和区关断时（B）：M1截止区M2线性区负载管（M2）也需考虑衬偏效应BSTTVV,2=112/1213.5 MOSFET的开关特性83.5.3 增强型-耗尽型 MOS 倒相器（E-D MOS）E-D MOS 的优点：1otoff短 ；2o面积小，集成度高；3o同类型沟道.E-D MOS 的缺点：1o导通态功耗大；2o存在衬偏效应.+VDDvDS(t) vGS(t)+C+M2M1IDSABVonVoff0VDDIonVDS耗尽型负载113/1213.5 MOSFET的开关特性93.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS
15、）负载管（M2）：增强型 PMOS+VDDvout(t)vin(t)+C+M2M1IDSVin1(=0 V)0VDDVDSNMOSPMOS?Vin2Vin3Vin4Vin5 (= VDD)Vin1 (=0 V)Vin2Vin3Vin4Vin5 (=VDD)输入低电平 ? ：M1截止区，M2线性区输入高电平 ? ：M1线性区，M2截止区 输出高电平（ VDD） 输出低电平（ 0 V）114/1213.5 MOSFET的开关特性103.5.4 互补 MOS 倒相器（CMOS） +VDDvout(t)vin(t)+C+M2M1IDSVin1(=0 V)0VDDVDSNMOSPMOS?Vin2Vin3Vin4Vin5 (= VDD)Vin1 (=0 V)Vin2Vin3Vin4Vin5 (=VDD)CMOS 电压传输特性状态转换的必要条件：0TninVV和0TpDDinVVVTpDDinTnVVVV
