詳解MOS晶體管的最高頻率知識

MOS晶體管的最高頻率

MOS晶體管在工作頻率增高到一定值以后,它的特性就將隨著頻率的增高而變壞。

MOS管的最高頻率,大家知道,MOS晶體管的溝道區隔著絕緣的氧化層,在這一氧化層上面覆蓋者金屬柵電極,于是就形成了以氧化物為介質的平板電容器，稱為柵電容,用符號Cg表示。

如果在某一時刻輸入信號的變化使Vg增加時,溝道中感生的載流子將增多。這些感生載流子的增多過程也就是柵電容的充電過程。充電是通過MOS管的通導電阻Ron進行的,其充電時間常數為t=RonCg;而當Vg減小時,Cg就要通過Ron放電。

當輸入信號的周期比柵電容通過Ron充放電的時間常數長很多時(低頻情況),柵電容的充放電過程就進行得很充分,輸出信號就完全能夠跟上輸入信號的變化。這時,MOS晶體管的放大性能將不會受到影響。

但是，當輸入信號的周期比柵電容充放電的時間常數還小，也就是輸入信號的角頻率ω比MOS管的固有頻率高時,即ω> 1/RonCg。這樣,柵電容的充放電過程就進行得不夠充分,輸出信號就不能完全跟上輸入信號的變化。此時,MOS晶體管的放大特性就要變壞。

從(1-69)式中看到,MOS管的最高頻率,與溝道長度的平方成反比。可見,要提高MOS管的最高頻率,溝道長度L就必須設計得短一點。另外fm與μ成正比。由于電子遷移率比空穴遷移率大,所以在其它條件相同的情況下，N溝道MOS晶體管的高頻性能要比P型溝道MOS晶體管要好。

為了對fm有一個定量的概念，下面舉一個例子。

這是一個頻率相當高的器件。實際上，在MOS電路里的晶體管,其最高頻率最少也要低2~3個數量級。這是因為存在許多寄生電容。

其中有金屬柵與源極擴散區交疊造成的柵源覆蓋電容Cgs(還包括引線間的分布電容)、柵和漏之間的附加寄生電容Cgd；另外還有漏極與P型基片間的PN結電容和其他寄生電容，將構成漏和源間的附加寄生電容Cds。這些電容附加到MOS晶體管之上(如圖1-34),將使器件頻率特性進一步變壞。

在MOS集成電路里,除了MOS晶體管的電容外,還有其他一些寄生電容,在電路中起很大作用。這是MOS集成電路速度低的原因所在。圖1-35表示MOS集成電路中各類寄生電容示意圖,其中:

晶體管參數-頻率特性

晶體管的電流放大系數與工作頻率有關。若晶體管超過了其工作頻率范圍，則會出現放大能力減弱甚至失去放大作用。晶體管的頻率特性參數主要包括特征頻率fT和最高振蕩頻率fM等。

1．特征頻率fT：晶體管的工作頻率超過截止頻率fβ或fα時，其電流放大系數β值將隨著頻率的升高而下降。特征頻率是指β值降為1時晶體管的工作頻率。

通常將特征頻率fT小于或等于3MHZ的晶體管稱為低頻管，將fT大于或等于30MHZ的晶體管稱為高頻管，將fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶體管稱為中頻管。

2．最高振蕩頻率fM：最高振蕩頻率是指晶體管的功率增益降為1時所對應的頻率。

通常，高頻晶體管的最高振蕩頻率低于共基極截止頻率fα，而特征頻率fT則高于共基極截止頻率fα、低于共集電極截止頻率fβ。

MOS晶體管的最高工作頻率

MOS晶體管的最高工作頻率被定義為：當對柵極輸入電容Cgc的充放電電流和漏源交流電流的數值相等時，所對應的工作頻率為mos晶體管的最高工作頻率。

這是因為當柵源間輸入交流信號時，由源極增加(減少)流入的電子流，一部分通過溝道對電容充(放)電，一部分經過溝道流向漏極，形成漏源電流的增量。因此，當變化的電流全部用于對溝道電容充放電時，晶體管也就失去了放大能力。

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