MOS場效應晶體管高頻特性的工作原理分析

MOS場效應晶體管的高頻特性正在逐年提高，它的實用頻率已擴展到甚高頻乃至超高頻段。一般說來，場效應晶體管與雙極型晶體管相比，在高頻方面具有非線性小，大信號特性良好的特點。而MOS型場效應晶體管與結型場效應晶體管相比，結型管溝道中多數載流子的遷移率高，而MOS型結構簡單，有利于微型化。MOS管結構高頻。對單柵型而言，兩類場效應晶體管的高頻特性可以說沒有多大差別¹⁾，但在結構復雜的級聯型方面，MOS型的較為有利，已經出現許多產品，并應用于各個方面。

目前的高頻MOS場效應晶體管，大體為分為單柵型和級聯復柵型兩類^●）。前者因結構簡單（參照圖2.1（a））便于制造，在gm相當時截止頻率較高，但反饋電容較大；后者的結構較為復雜（參照圖2.1（b）），而反饋電容較小，因有兩個控制電極，使得自由度增加，便于調節增益，但截止頻率低一些。高頻用的場效應晶體管，為使取得大一些，所以溝道應做得很窄，而且為了提高gm，必須增加柵的長度。

●）對單柵型場效應晶體管而言，結型與MOS型均容易得到相同數量級的頻率特性，由于結型臨界電壓穩定，不用擔心柵損壞，以采用結型為宜；而另一方面，對級聯柵型而育，因其結構復雜，MOS型較結型有利于微型化，故以采用MOS到為官。

為此，可采用圖2.2所示的蛇形圖案，級聯柵型的芯片面積尤其要增大一些。這些高頻場效應晶體管通常多封裝在TO-72的管殼內。MOS管結構高頻。典型的管腳接線如圖2.3所示。

因為MOS場效應晶體管的柵絕緣膜薄、漏泄電流小，從而柵容易帶電。因此，往往因摩擦起電或烙鐵漏電，或因其它沖擊性的電脈沖而使柵絕緣層破壞。為了防止此種情況發生，可在柵上加保護二極管，這樣，柵電壓就不會超過某一定值^2）。

特別是用在高頻的，多采用增強與耗盡兩種模式的動作，所以多使用圖2.4那樣的背靠背二極管，藉二極管的反向擊穿特性起到保護作用^●）。最近，保護二極管與場效應管本體多做在同一芯片上，即以所謂“單片型”結構為主。

西格內特（Signetics）公司有商品化的雙擴散型 MOS晶體管（簡稱D-MOS）。但是，本質上具有同樣結構的場效應晶體管，應說是1969年垂井等人最先研制成功的^3）?；窘Y構如圖2.1（C）（單柵型），采取雙擴散工藝可自動確定狹窄的溝道寬度，以及在漏附近有高阻漂移場區域（有提高漏結擊穿電壓和減少反饋電容的作用）為其特點。MOS管結構高頻。西格內特公司生產有單柵型（SD200/201）和復柵型（級聯型，SD300/301）雙擴散MOS晶體管。SD200于1GHz時可得到8dBmin的增益（MAG），4.5dBmax的噪聲系數，而SD301分別可得10dBmin和7dBmax等較優的特性。

（1）單柵型MOS場效應晶體管的高頻特性

單柵型MOS場效應晶體管的結構可參看圖2.5（a），與源接地和柵接地相對應的等效電路分別如圖2.5（b）、（c）所示。

為了提高高頻特性，可將底座接地。圖中虛線以外的“元件”來是由管殼和芯片的引線等形成的，虛線以內的“元件”對應于芯片部份。

●）背靠背二極管中間結點的電位，有時不能跟隨柵電壓作快速變化。為使中間結點的電荷通過兩個二極管的反向而放電，需要時間。若保護二極管的靜電電容不能忽略時，會引起過渡性的失諧。因此，宜避免柵電壓的急劇變化。

MOS場效應晶體管的y參數容易由等效電路得到，當忽略電感因素時，以源接地為例，大致可得到如下各式。

這些公式在，時成立。式中的各器件參數定義如下：

Ci為柵電容，是幾乎與偏壓無關的恒定值。

Ci+Cˊi為輸入電容

gm為跨導的低頻值。它與偏壓的關系為

為柵電阻，是由柵方面看入的溝道部份的電阻，其值約為

為反饋電容

go為溝道電導

Co為漏結電容（有的關系）

Co+Cˊo為輸出電容

ro為漏結串聯體電阻

應該注意，當柵接地時，圖2.5（C）等效電路的輸入導鈉（只考慮本征部份，略去Css）為

典型的高頻用單柵型MOS場效應晶體管源接地時的Y參數的頻率關系如圖2.6所示。明顯地表現出上述Y參數的頻率依從特征，由此也可推算器件參數值。MOS管結構高頻。由圖2.6算得的最大可用功率增益Gma和羅烈特（Rollet）的穩定系數值如圖2.23所示，由此可知，雖然MOS場效應晶體管的反饋電容相當小，但因輸入阻抗很高，故穩定度不高。因此，希望在高頻下得到高增益時，必須進行中和，這是很不方便的。

結型場效應晶體管在超高頻段等這樣較高頻率下使用時，柵接地比源接地有可能得到穩定度較高的放大，但對MOS場效應晶體管來說，由于源-本底之間的結電容加到輸入側，使頻率特性大大變壞，所以目前通常不采取柵接地的方式。

單柵型MOS場效應晶體管的各高頻參數對偏置條件的依從關系中，與偏置的關系不太大，通?？梢院雎?sup>●）（這一點與級聯柵型相同）。在幾乎不受溝道電阻go影響的高頻頻段，受Co對VDS依從性的控制。但頻率降低后，則受go對ID的依從性的影響，大致上具有的關系（參閱圖2.7）。尤其是高頻用場效應晶體管等襯底雜質濃度低的器件，值容易增大，在ID=10mA時其輸出阻抗為10~20kΩ量級，與晶體管相比，其輸出阻抗往往較低。MOS管結構高頻。另外，我們注意到VDS越高，go越小，但在擊穿電壓附近急劇上升（這也與級聯柵型類似，請參見圖2.13）。當VDS在5V以下時，亦急劇增加(參閱圖2.8)。

●）但在三極管工作區城或極低電流的區域，有減小的趨勢。

目前高頻用單柵MOS場效應晶體管的商品品種不太多，有如表2.1所列，大體上應用于甚高頻頻段。

（2）級聯型復柵MOS場效應晶體管

如上所述，單柵型場效應晶體管的高頻不穩定性，可藉共源-共柵接法而得到改善。由輸入端源接地的場效應晶體管與輸出端柵接地的場效應晶體管級聯而成的電路如圖2.9所示。

設前級場效應晶體管的y參數為

則級聯電路的y參數可表示為^4）

在遠比gm截止頻率為低的頻率下，gm2（~gm1）值在D中起決定性作用，所以，值可用前級的值近似，而，值則降低。如設yc=yb，此值變為1/（μ2+2），式中的μ2等于gm2/yd，就是后級場效應晶體管的電壓放大倍數。因此，后級的場效應晶體管如處于五極管區域，反饋電容就大大減少，幾乎等于引線電容，而且低頻輸出導納也減少^●），總的來說，穩定度得到提高。

●）在由漏-本體電容和本體串聯電阻決定的范圍內，亦即在與ω²成正比的區域內，輸出電導與單柵型相同。

由于其高穩定度以及下述的各種優點，這種型式的場效應晶體管已制出應用于甚高頻段的產品。MOS管結構高頻。它的剖面結構如圖2.1（b）所示似乎很簡單，但實際上源-漏間距較寬，實際的圖形如圖2.2所示，相當復雜。

直流特性和低頻特性

級聯型MOS場效應晶體管的直流特性可由兩個場效應晶體管直流特性簡單合成。亦即，兩個場效應晶體管的漏電流相等，總漏電壓為兩管漏電壓之和，并且可認為第二個場效應晶體管實質上是受柵-島間電壓控制的。因系兩管串聯，即使一管的柵電壓增加，漏電流亦受到另一管的限制，而不能增加（參閱圖2.10）。

gm與偏壓的關系也可由直流特性導出。有隨漏電流的增加而減少的區域（參照圖2.11）。

高頻特性

y參數與頻率的關系如圖2.12所示，在實用頻段內與單柵型類似，由于反饋電容，亦即大大降低，有可能進行穩定的工作（參閱圖2.23）。反過來，因為兩條溝道串聯，致使的頻率特性變壞（參閱圖2.12）。

高頻參數與偏置的關系，同單柵型一節中所述內容大體相合，但低頻的稍許不同，值本身比單柵型的低，如在第二柵沿耗盡方向加過量的偏壓，則增大，輸出阻抗降低（參閱圖2.13、2.14）。

這種類型的MOS場效應晶體管有較低的交擾調制特性。如圖2.35所示，隨著反饋電容的降低，自動增益控制時的頻率偏移也減少了，所以該管有可能廣泛應用于甚高頻電視的前置級等方面。其商品如表2.2所示。MOS管結構高頻。幾乎所有產品都備有柵保護二極管，實用頻率為400~500MHz。

（3）MOS場效應晶體管的高頻噪聲特性^5）

關于噪聲機制等問題將另立一節詳述，此處只著眼于高頻噪聲。源接地的MOS場效應晶體管噪聲系數F的理論公式可表示如下。

式中為信號源導納

為最佳信號源導納。

為等效噪聲電阻

改變信號源導納，使（噪聲調諧）和（噪聲匹配），可實現最低噪聲系數Fmin。通常，與增益最大時的信號源導納不同?？紤]到溝道部份的熱噪聲以及由此而在柵電極上感應的噪聲，如忽略這兩種噪聲的相關性時，Fmin的一個理論公式為

它由特征頻率fo所決定。此外MOS場效應晶體管，由于界面態等原因產生的噪聲可擴展到高頻，還有其它寄生因素的損耗，特別是級聯型級間失配等原因，一般給出的Fmin數值較上式為大。圖2.15所示的式（2.11）與市售場效應晶體管的數據比較可得出一個大致的標準^●）。

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