2022-2023学年高二物理竞赛课件：小信号等效电路

小信号等效电路 小信号等效电路 （3）实际等效电路 RS：源极串联电阻 RD：漏极串联电阻 Cgs：栅源寄生电容 Cgd：栅漏寄生电容 CDS：漏极和衬底之间寄生电容 4.4.1 小信号等效电路 1、 跨导截止频率 （1）高频跨导gm(ω) 电流改变量相同： G D S 4.4.1 小信号等效电路 1、 跨导截止频率 （2）跨导截止频率： 4.4.1 小信号等效电路 2、截止频率fT 流过Cgs的电流＝交流短路输出电流时的频率 寄生电容的影响： fT会降低 总输入电容 4.4.1 小信号等效电路 3、提高截止频率的措施 L降低，可缩短沟道渡越时间 µ增大，选择µ高的材料，工艺用NMOS 减少界面态、表面态 采用埋沟器件，避免表面散射的影响 减小寄生电容 4.4.2 频率限制因素与截止频率 在MOSFET中有两个基本的频率限制因素。第一个因素为沟道输运时间。如果我们假设载流子在其饱和漂移速度Vsat下行进，那么输运时间为τt＝L/Vsat，其中L为沟道长度。若Vsat＝107cm/s，L＝1μm，则τt＝10ps，它可以转换为最大频率，即100GHz。这个频率比MOSFET的典型最大频率响应还要大。载流子通过沟道的输运时间通常不是MOSFET频率响应的限制因素。另一个因素为栅或电容充电时间。如果忽略rs、rd、rds和Cds，得到的等效小信号电路如图所示，其中RL为负载电阻。 图11.58 4.5 CMOS技术 在集成电路中为了构成n沟和p沟晶体管，形成p衬底和n衬底区的绝缘是必须的。p阱工艺在CMOS电路中是一种常用的技术。在这种工艺中，首先要有一个很低浓度的n型硅衬底，以容纳p沟MOSFET。再在p型扩散区，即所谓的p阱中生成n沟MOSFET。通常，p型衬底的掺杂浓度必须大于n型衬底的掺杂浓度，才能得到希望的阈值电压。更大的p型掺杂能够较容易地补偿初始n型掺杂，从而形成p阱。 图11.59 4.6 小结 这一章讨论了金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET）的基本物理结构和特性。 MOSFET的核心为MOS电容器。与氧化层－半导体界面相邻的半导体能带是弯曲的，它由加在MOS电容器上的电压决定。表面处导带和价带相对于费米能级的位置是MOS电容器电压的函数。 氧化层－半导体界面处的半导体表面可通过施加正偏栅压由p型到n型发生反型，或者通过施加负偏栅压由n型到p型发生反型。因此，在与氧化层相邻处产生了反型层流动电荷。基本MOS场效应原理是由反型层电荷密度的调制作用体现的。 讨论了MOS电容器的C－V特性。例如，等价氧化层陷阱电荷密度和界面态密度可由C－V测量方法决定。 两类基本的MOSFET为n沟和p沟，n沟中的电流是由于反型层电子的流动，p沟中的电流是由于反型层空穴的流动。这两类器件都可以是增强型的，此时在通常情况下器件是“关”的，需施加一个栅压才能使器件开启；也都可以是耗尽型的，此时在通常情况下器件是“开”的，需施加一个栅压才能使器件关闭。 平带电压为满足平带条件时所加的栅压，这时导带和价带不发生弯曲，并且半导体中没有空间电荷区。平带电压是金属－氧化层势垒高度、半导体－氧化层势垒高度以及固定氧化层陷阱电荷数量的函数。 阈值电压是指达到阈值反型点时所加的栅压，此时反型层电荷密度在大小上等于半导体掺杂浓度。阈值电压是平带电压、半导体掺杂浓度和氧化层厚度的函数。 MOSFET中的电流是由于源漏之间反型层载流子的流动。反型层电荷密度和沟道电导由栅压控制，这意味着沟道电流也被栅压控制。 当晶体管偏置在非饱和区（VDS<VDS(sat)）时，源漏之间的整个沟道中都有反型电荷的存在。漏电流是栅源电压和漏源电压的函数。当晶体管工作在饱和区（VDS>VDS(sat)）时，反型电荷密度在漏端附近被夹断，此时理想漏电流仅是栅压电压的函数。 实际上MOSFET是一个四端器件，衬底或体为第四端。随着反偏源－衬底电压的增加，阈值电压增大。在源端和衬底不存在电学连接的集成电路中衬底偏置效应变得很重要。 讨论了含有电容的MOSFET小信号等效电路。考虑了影响频率限制的MOSFET的一些物理因素。特别地，由于米勒效应，漏端交叠电容成为MOSFET频率响应的一个限制因素。作为器件频率响应的一个特点，截止频率是反比于沟道长度的，因此，沟道长度的减小将导致MOSFET频率性能的提高。 简要讨论了n沟和p沟器件制作在同一块芯片上的CMOS技术。被电学绝缘的p型和n型衬底区是容纳两类晶体管的必要条件。有不同的工艺来实现这一结构。CMOS结构中遇到的一个潜在问题是闩锁现象，即可能发生在四层pnpn结构中的高电流、低电压情况。 习题 1.考虑一个tOX=450A的铝栅-二氧化硅-p型硅MOS结构。硅掺杂浓