半導體器件物理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系，由于這是一種線性變化關系，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）跨導跨導是MOS管的一個重要參量，它反映外加柵極電壓的變化量控制漏源電流變化量的能力，的定義為跨導的單位是歐姆的倒數(shù)，標志著MOS管的電壓放大本領。與電壓增益的關系為式中，為MOS管的負載。從上式可以看出，MOS管的跨導越大，電壓增益也越大，跨導的大小與各種工作狀態(tài)有關。

①線性區(qū)跨導上式表明，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，但測量結(jié)果表明，當增大時，下降，這是因為當增大時，電子遷移率下降的緣故。在線性工作區(qū)（）時，對求導可得②飽和區(qū)跨導表明在飽和工作區(qū)，不考慮溝道調(diào)制效應時，跨導基本上與無關。要提高MOS管的跨導和，可采取的方法為：改進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。適當增大柵極工作電壓，可以增加飽和工作區(qū)的跨導。在飽和工作區(qū)（）時，對求導可得（2）漏源輸出電導①線性工作區(qū)的漏源輸出電導的定義為：在線性區(qū)，對求導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)的漏源輸出電導和飽和工作區(qū)的跨導相等，在不太大時，與成線性關系。輸出電阻與是雙曲線關系，即隨的增大而減小。當漏源電流較大時，與的線性關系不再維持，這是因為電子的遷移率隨的增加而減小。②飽和區(qū)漏源輸出電導在理想情況下，若不考慮溝道長度調(diào)制效應，飽和區(qū)的漏電流與無關。飽和工作區(qū)的應為零，即輸出電阻為無窮大。對于實際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，當時，溝道有效長度縮短，從而導致飽和電流隨的增加而增加?？紤]溝道調(diào)制效應后的飽和電流為：根據(jù)電導的定義可得：（3）串聯(lián)電阻對和的影響①對跨導的影響由于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系為考慮到影響后的跨導為：這是深反饋情況，跨導與器件參數(shù)無關。

上式表明，當MOS管源極串聯(lián)電阻不能忽略時，其跨導將減小，但其中起負反饋作用，可以穩(wěn)定跨導。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為上面討論表明，串聯(lián)電阻和會使跨導和輸出電導變小，在設計和制造MOS管時，應盡量減少漏極和柵極串聯(lián)電阻。（2）對輸出電導的影響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（由跨導定義知）為：當時，達到增益為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，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。當電場進一步增大時，靠近漏端處發(fā)生載流子倍增，從而導致襯底電流及產(chǎn)生寄生雙極型晶體管效應，強電場也促使熱載流子注入氧化層，導致氧化層內(nèi)增加負電荷及引起閾值電壓移動、跨導下降等。1．MOS管的溝道效應2．最小溝道長度基于大量的實驗，Brews等人導出了能保持長溝特性的最小溝道長度的經(jīng)驗公式為式中，；為結(jié)深；為氧化層厚度為襯底偏置電壓。當時，。減小溝道效應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式與實驗結(jié)果。圖中，短溝區(qū)的所有器件，都顯示