半导体器件物理23(全)

§5.5MOS管的交流小信号参数和频率特性1．交流小信号参数MOS管的小信号特性是指在一定工作点上，输出端电流的微小变化与输入端电压的微小变化之间有定量关系，由于这是一种线性变化关系，所以可以用线性方程组描述小信号特性，其中不随信号电流和信号电压变化的常数即为小信号参数。（1）跨导跨导是MOS管的一个重要参量，它反映外加栅极电压的变化量控制漏源电流变化量的能力，的定义为跨导的单位是欧姆的倒数，标志着MOS管的电压放大本领。与电压增益的关系为式中，为MOS管的负载。从上式可以看出，MOS管的跨导越大，电压增益也越大，跨导的大小与各种工作状态有关。

①线性区跨导上式表明，在线性工作区，随的增加而略有增加。值得注意的是：上式看上去似乎与无关，但测量结果表明，当增大时，下降，这是因为当增大时，电子迁移率下降的缘故。在线性工作区（）时，对求导可得②饱和区跨导表明在饱和工作区，不考虑沟道调制效应时，跨导基本上与无关。要提高MOS管的跨导和，可采取的方法为：改进MOS管结构（如增大管子的沟道宽长比，减薄氧化层厚度等），提高载流子迁移率等，这些措施与提高的要求是一致的。适当增大栅极工作电压，可以增加饱和工作区的跨导。在饱和工作区（）时，对求导可得（2）漏源输出电导①线性工作区的漏源输出电导的定义为：在线性区，对求导可得上式表明随着的增大，但还未到饱和区时，将会减小。在较小时：因此，在较小时，线性区的漏源输出电导和饱和工作区的跨导相等，在不太大时，与成线性关系。输出电阻与是双曲线关系，即随的增大而减小。当漏源电流较大时，与的线性关系不再维持，这是因为电子的迁移率随的增加而减小。②饱和区漏源输出电导在理想情况下，若不考虑沟道长度调制效应，饱和区的漏电流与无关。饱和工作区的应为零，即输出电阻为无穷大。对于实际MOS管，饱和区输出特性曲线总有一定的倾斜，使输出电导不等于零，即输出电阻不为无穷大。造成输出特性曲线倾斜的主要原因是沟道长度调制效应，当时，沟道有效长度缩短，从而导致饱和电流随的增加而增加。考虑沟道调制效应后的饱和电流为：根据电导的定义可得：（3）串联电阻对和的影响①对跨导的影响由于MOS管源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电阻的存在，使源区和地之间有一个外接串联电阻。若加在栅极与地之间的电压为，引起的漏源电流为，则在上有一个压降，真正加在栅极与源之间的电压与的关系为考虑到影响后的跨导为：这是深反馈情况，跨导与器件参数无关。

上式表明，当MOS管源极串联电阻不能忽略时，其跨导将减小，但其中起负反馈作用，可以稳定跨导。如果很大，则有：若漏区的外接串联电阻为，用相似的讨论方法可以得到在线性工作区受及影响的有效输出电导为上面讨论表明，串联电阻和会使跨导和输出电导变小，在设计和制造MOS管时，应尽量减少漏极和栅极串联电阻。（2）对输出电导的影响2．MOS管的截止频率和JFET类似，可用如图所示的等效电路来分析MOS管的截止频率。截止频率为输出电流和输入电流之比为1时的频率，即当器件输出短路时，器件不能放大输入信号时的频率。栅极端输入的信号电流为：漏极端输出的交流电流（由跨导定义知）为：当时，达到增益为1（不再放大）的条件，此时的频率为截止频率，所以有上式表明，要提高工作频率或工作速度，沟道的长度要短，载流子迁移率要高。（线性区）§5.6器件尺寸比例前面都是在长沟道下讨论的。如果沟道长度缩短，纵向电场将增大，沟道电子迁移率不再为一常数，变得和电场有关，最终会出现载流子速度饱和现象，使沟道内载流子的迁移率比体内的小。当电场进一步增大时，靠近漏端处发生载流子倍增，从而导致衬底电流及产生寄生双极型晶体管效应，强电场也促使热载流子注入氧化层，导致氧化层内增加负电荷及引起阈值电压移动、跨导下降等。1．MOS管的沟道效应2．最小沟道长度基于大量的实验，Brews等人导出了能保持长沟特性的最小沟道长度的经验公式为式中，；为结深；为氧化层厚度为衬底偏置电压。当时，。减小沟道效应而能保持原来长沟道特性的另一个非常好的方法就是，简单地将器件所以尺寸和电压同时缩小一个比例因子，使内部电场和长沟道MOS管的相同。上图给出了最小沟道长度表达式与实验结果。图中，短沟区的所有器件，都显示