半導(dǎo)體器件物理23(全)

§5.5MOS管的交流小信號參數(shù)和頻率特性1．交流小信號參數(shù)MOS管的小信號特性是指在一定工作點(diǎn)上，輸出端電流的微小變化與輸入端電壓的微小變化之間有定量關(guān)系，由于這是一種線性變化關(guān)系，所以可以用線性方程組描述小信號特性，其中不隨信號電流和信號電壓變化的常數(shù)即為小信號參數(shù)。（1）跨導(dǎo)跨導(dǎo)是MOS管的一個重要參量，它反映外加?xùn)艠O電壓的變化量控制漏源電流變化量的能力，的定義為跨導(dǎo)的單位是歐姆的倒數(shù)，標(biāo)志著MOS管的電壓放大本領(lǐng)。與電壓增益的關(guān)系為式中，為MOS管的負(fù)載。從上式可以看出，MOS管的跨導(dǎo)越大，電壓增益也越大，跨導(dǎo)的大小與各種工作狀態(tài)有關(guān)。

①線性區(qū)跨導(dǎo)上式表明，在線性工作區(qū)，隨的增加而略有增加。值得注意的是：上式看上去似乎與無關(guān)，但測量結(jié)果表明，當(dāng)增大時，下降，這是因?yàn)楫?dāng)增大時，電子遷移率下降的緣故。在線性工作區(qū)（）時，對求導(dǎo)可得②飽和區(qū)跨導(dǎo)表明在飽和工作區(qū)，不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，跨導(dǎo)基本上與無關(guān)。要提高M(jìn)OS管的跨導(dǎo)和，可采取的方法為：改進(jìn)MOS管結(jié)構(gòu)（如增大管子的溝道寬長比，減薄氧化層厚度等），提高載流子遷移率等，這些措施與提高的要求是一致的。適當(dāng)增大柵極工作電壓，可以增加飽和工作區(qū)的跨導(dǎo)。在飽和工作區(qū)（）時，對求導(dǎo)可得（2）漏源輸出電導(dǎo)①線性工作區(qū)的漏源輸出電導(dǎo)的定義為：在線性區(qū)，對求導(dǎo)可得上式表明隨著的增大，但還未到飽和區(qū)時，將會減小。在較小時：因此，在較小時，線性區(qū)的漏源輸出電導(dǎo)和飽和工作區(qū)的跨導(dǎo)相等，在不太大時，與成線性關(guān)系。輸出電阻與是雙曲線關(guān)系，即隨的增大而減小。當(dāng)漏源電流較大時，與的線性關(guān)系不再維持，這是因?yàn)殡娮拥倪w移率隨的增加而減小。②飽和區(qū)漏源輸出電導(dǎo)在理想情況下，若不考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，飽和區(qū)的漏電流與無關(guān)。飽和工作區(qū)的應(yīng)為零，即輸出電阻為無窮大。對于實(shí)際MOS管，飽和區(qū)輸出特性曲線總有一定的傾斜，使輸出電導(dǎo)不等于零，即輸出電阻不為無窮大。造成輸出特性曲線傾斜的主要原因是溝道長度調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)時，溝道有效長度縮短，從而導(dǎo)致飽和電流隨的增加而增加?？紤]溝道調(diào)制效應(yīng)后的飽和電流為：根據(jù)電導(dǎo)的定義可得：（3）串聯(lián)電阻對和的影響①對跨導(dǎo)的影響由于MOS管源區(qū)的體電阻、歐姆接觸及電極引線等附加電阻的存在，使源區(qū)和地之間有一個外接串聯(lián)電阻。若加在柵極與地之間的電壓為，引起的漏源電流為，則在上有一個壓降，真正加在柵極與源之間的電壓與的關(guān)系為考慮到影響后的跨導(dǎo)為：這是深反饋情況，跨導(dǎo)與器件參數(shù)無關(guān)。

上式表明，當(dāng)MOS管源極串聯(lián)電阻不能忽略時，其跨導(dǎo)將減小，但其中起負(fù)反饋?zhàn)饔?，可以穩(wěn)定跨導(dǎo)。如果很大，則有：若漏區(qū)的外接串聯(lián)電阻為，用相似的討論方法可以得到在線性工作區(qū)受及影響的有效輸出電導(dǎo)為上面討論表明，串聯(lián)電阻和會使跨導(dǎo)和輸出電導(dǎo)變小，在設(shè)計(jì)和制造MOS管時，應(yīng)盡量減少漏極和柵極串聯(lián)電阻。（2）對輸出電導(dǎo)的影響2．MOS管的截止頻率和JFET類似，可用如圖所示的等效電路來分析MOS管的截止頻率。截止頻率為輸出電流和輸入電流之比為1時的頻率，即當(dāng)器件輸出短路時，器件不能放大輸入信號時的頻率。柵極端輸入的信號電流為：漏極端輸出的交流電流（由跨導(dǎo)定義知）為：當(dāng)時，達(dá)到增益為1（不再放大）的條件，此時的頻率為截止頻率，所以有上式表明，要提高工作頻率或工作速度，溝道的長度要短，載流子遷移率要高。（線性區(qū)）§5.6器件尺寸比例前面都是在長溝道下討論的。如果溝道長度縮短，縱向電場將增大，溝道電子遷移率不再為一常數(shù)，變得和電場有關(guān)，最終會出現(xiàn)載流子速度飽和現(xiàn)象，使溝道內(nèi)載流子的遷移率比體內(nèi)的小。當(dāng)電場進(jìn)一步增大時，靠近漏端處發(fā)生載流子倍增，從而導(dǎo)致襯底電流及產(chǎn)生寄生雙極型晶體管效應(yīng)，強(qiáng)電場也促使熱載流子注入氧化層，導(dǎo)致氧化層內(nèi)增加負(fù)電荷及引起閾值電壓移動、跨導(dǎo)下降等。1．MOS管的溝道效應(yīng)2．最小溝道長度基于大量的實(shí)驗(yàn)，Brews等人導(dǎo)出了能保持長溝特性的最小溝道長度的經(jīng)驗(yàn)公式為式中，；為結(jié)深；為氧化層厚度為襯底偏置電壓。當(dāng)時，。減小溝道效應(yīng)而能保持原來長溝道特性的另一個非常好的方法就是，簡單地將器件所以尺寸和電壓同時縮小一個比例因子，使內(nèi)部電場和長溝道MOS管的相同。上圖給出了最小溝道長度表達(dá)式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中，短溝區(qū)的所有器件，都顯示