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1、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 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,gm 一般为几 几十毫西门子。,以 VGS 作为参变量的 gm VDS 特性曲线,为了提高跨导 gm ，从器件制造角度，应提高 ，即增大 ，提高迁移率 ，减小 TOX 。从电路使用角度，应提高 VGS 。,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
2、，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 。,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。
3、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，,（5-126）,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
4、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。,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
5、，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。,（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：,当输出端短路时，vo = 0 ，因此 AV = 0 ，于是根据最高工作频率 fT 的定义，可得,当忽略寄生电容 Cgs 和 Cgd 时，得本征最高工作频率为,（5-142
6、a）,（5-142b）,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,5.6.4 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（5-60）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,
