講解MOS晶體管參數模型工作原理圖及其特性

超高頻放大器（并非必須使用MOS晶體管）的設計常常利用所謂參數來進行。本節中我們推導關于MOS器件的參數模型。我們將首先推導出這種模型的一般形式。進行這一推導時，對器件的物理情況將不作任何假設。MOS晶體管y參數模型。事實上，我們甚至不必假設器件是一個MOS晶體管。對器件設置的唯一限制條件是它有四個端子。為了以后方便，我們將用D、G、B和S來表示這些端子。但在目前，尚可不必把這些符號和一個特定器件的具體端子聯系來；實際上，我們也可能改用X、Y、Z和W。

考慮如圖9.16所示的，在每個端子上由偏壓和小信號電壓驅動的晶體管。圖9.13a表示這一晶體管由電壓激勵的小信號分量驅動時，它的小信號等效電跨?，F在假設所有的小信號電壓都是正弦波，且有相同的角頻率ω。MOS晶體管y參數模型。于是，在正弦穩態時，所有小信號電流也將是正弦波，且具有同樣的頻率。小信號電壓和電流可由余弦函數來表示，例如，

為簡便起見，從現在起我們將用術語“電壓”和“電流”，而不用更完整的“電壓相量”和“電流相量”。因為上下文是清楚的，不會引起混淆。圖9.13a電路的相量表示繪于圖9.13b。

假設我仃]對于Vg、Vb、Vd和VS對Id的影響感興趣，則可進行四個實驗。在每個實驗中，我們將只考慮圖9.13b中四個小信號電壓中的一個，而把其他三個的電壓設為零。這等效于把圖9.1b中的三個小信號電壓源的電壓設為零，但是，該圖中的所有四個直流偏置電源當然都要原封不動地留下。MOS晶體管y參數模型。這四個實驗總結在圖9.14中。在每個實驗中，電流相量和電壓相量之比是復導納。對于四個復導納，我們將用表示在圖9.14中的符號來表示。

小信號等效電路是線性電路，它們表示在一個加有微小信號的邱際晶體管中，電流Id、Ig、Ib和Is是Vd、Vg、Vb和Vs的線性函數。這樣，當聽有四個小信號電壓都作用(電壓不為零)時，可用疊加定理來求Id。MOS晶體管y參數模型。應用疊加定理計算Id寸，每次只考慮一個電壓作用，算出它所產生的電流，然后把各個電流加起來：

利用圖9.14中的定義，上述公式可寫成如下形式：

可以進行類似的實驗，以確定其余三端中的每一端的電流。在每一種情況下，定義導納如下：

這樣，共有四個方程：

注意，除了這里沒有使用減號之外，這些方程在形式上類似于式(9.2.2)。這是采用定義式(9.3.5)[該式應可與式(9.2.1)相比]的必然結果。導納參數的這一定義在網絡理論中是標準的。表示成矩陣形式的方程式（9.3.6）稱為導納矩陣，或不定導納矩陣。

按照與導出式（9.2.8）所用方法的類比推理，可以得到參數之間的關系

與此類似，按照與導出式(9.2.12)所用方法的類比推理，可以斷定式(9.3.6)中的第四個方程可以省略(事實上，可以選四個方程中的任意一個加以省略)而不失去數據，剩下的三個方程可寫為如下形式：

式中Vx=Vx-V。上述方程組可用圖9.15的電路來表示，對電路中的電流相量寫出基爾霍夫電流定律便可直接驗證這一電路。

還可以有其他的三端口參數表示。例如，若不用S端作為電勢參考點并略去式(9.3.6d)，若不用b端作為電勢參考點并略去式（9.3.6場）則可獲得示于圖9.16的電路模型。對于一個MOS晶體管來說，這一模型的吸引入的特性是它采用了一個“合乎自然的”，選擇——以襯底端為參考點。MOS晶體管y參數模型。例如，在NMOS生產工藝中，這是芯片上所有器件的唯一公共端。還有，對于一個對稱布圖的器件來說，源和漏的作用是相同的，故有ss=dd，sg=dg以及sd=ds。把這樣一些相等的值用于圖9.16，可使模型的對稱性明顯化。然而，以襯底作為參考的小信號模型用得并不多。有一部分原因是由于傳統習慣。早期，人們把MOS晶體管當成二端器件來處理，并把眾所周知的來自于真空管(以陰極作為參考)和雙極晶體管(以發射極作為參考)的建模方法照搬給MOS晶體管(以源作為參考)。這樣，多年來的結論和直覺知識可能套用到了新的器件上。MOS晶體管y參數模型。還有，對許多工程師來說，柵-源部分的電壓是“正常的”輸入。變化υGS(同時保持υGB不變)對漏端電流的影響通常比變化υGB(同時保持υGS不變)的影響更加厲害，因此以源作為參考。然而，弄明白以襯底為參考會有什么方便之處也許是一個有意義的問題。

為了把當前的模型和圖9.5中的模型聯系起來，現在，我們使前者向后者靠近一步。按照類似于導出式(9.2.19)的方法，可把式(9.3.8)重寫為下面的形式:

其中

這些方程可用圖9.17的電路來表示。由于這一模型的推導方法是通用的，故圖9.5中的模型應僅僅是它的一種特殊情況。通過對兩種電路的比較，對于這一特殊情況，我們得到：

在以上方程中可觀察到：  (1)m、mb和-sd有恒定的正實部，(2)所有參數都有一個與頻率成正比的虛部。這個結論實際上可通過測量來證實，測量時頻率可高到ω₀／3[ω₀由式(8.3.6)給出]。事實上，電容值可由測得的導納虛部中的比例常數來確定。但是，當頻率高于ω₀／3時，上面所預測的特性就不存在了。MOS晶體管y參數模型。此時，測量結果表現出，例如m的實部和虛部的大小都隨頻率升高而減小,  以及gs的實部開始不為零。要解釋這些現象必須放棄準靜態假設，這就是下一節將要進行的工作。

在結束本節之前，我們簡單扼要地說一下參數的測量問題。一般情況下，器件的所有參數都是與頻率有關的復數。這些參數可用信號發生器和幅值／相位表來測量。對器件加以適當的偏壓，并在其中之一端上施加一小信號電壓，然后在每一個端上觀察由此而產生的小信號電流。于是，參數便可從式(9.3.5)計算出來。遺憾的是，實際的詳細情況可使這種測量變得十分錯綜復雜。MOS晶體管y參數模型。例如，在測量dg時，感興趣的交流小電流載在叫個相比之下大得多的直流偏置電流的頂上。特別是，需要仔細設計線路，以便把直流和交流分開而不改變后者的相位(或者至少不以無法預測的方式改變相位)。還有，在設法確定dg的一個分量(實部或虛部)時，若另一分量很大，則可知會引起問題。MOS晶體管參數的測量在文獻中已有報導?？墒?，多數情況下，該測量是在分立器件上進行的，因而包含了諸如由封裝而引起的大寄生元件的效應。估算寄生元件，并減去它們的效應并非總是容易的事，吧部分測量線路與待測晶體管集成在同一芯片上，有助于消化這樣一些問你題。

聯系方式：鄒先生

聯系電話：0755-83888366-8022

手機：18123972950

QQ：2880195519

聯系地址：深圳市福田區車公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1

請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關注”官方微信公眾號

請“關注”官方微信公眾號:提供  MOS管  技術幫助