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MOS管的最高頻率是多少及MOS管的頻率特性

信息來源: 時間:2020-10-26

MOS管的最高頻率是多少及MOS管的頻率特性

MOS管的最高頻率特性

MOS管的頻率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。大家知道,MOS管的溝道區(qū)隔著絕緣的氧化層,在這一氧化層上面覆蓋著金屬柵電極,于是就形成了以氧化物為介質(zhì)的平板電容器,稱為柵電容,用符號image.png表示。如果在某一時刻輸入信號的變化使image.png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(dǎo)電阻image.png進(jìn)行的,其充電時間常數(shù)為image.png而當(dāng)VG減小時,image.png就要通過image.png放電。

當(dāng)輸入信號的周期比柵電容通過image.png充放電的時間常數(shù)長很多時(低頻情況),柵電容的充放電過程就進(jìn)行得很充分,輸出信號就完全能夠跟上輸入信號的變化。MOS管的頻率。這時,MOS管的放大性能將不會受到影響。但是,當(dāng)輸入信號的周期比柵電容充放電的時間常數(shù)還小,也就是輸入信號的角頻率image.png比MOS管的固有頻率高時,即image.png。這樣,柵電容的充放電過程就進(jìn)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管的放大特性就要變壞。

當(dāng)輸入信號的角頻率MOS管的頻率特性時,我們定義這時的頻率為MOS管的最高頻率,用fm表示。

MOS管的頻率特性

由于MOS管的頻率特性,上式可改寫為:

MOS管的頻率特性

式中image.png為平行板電容器電容,可近似地寫成image.png。image.png為單位面積氧化層電容。A為柵下面的溝道面積。于是image.png可寫成:

MOS管的頻率特性

再把image.png代入(1-68)式得:

MOS管的頻率特性

這就是MOS管的最高工作頻率表達(dá)式。這里的image.png是用氧化層電容image.png代入的,實(shí)際的image.png將隨VGS的變化而改變其大小。

從(1-69)式中看到,MOS管的頻率,MOS管的最高頻率,與溝道長度的平方成反比。可見,要提高M(jìn)OS管的最高頻率,溝道長度L就必須設(shè)計(jì)得短一點(diǎn)。另外,image.pngimage.png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管的高頻性能要比P型溝道MOS管要好。為了對image.png有一個定量的概念,下面舉一個例子。

若某一N溝道MOS器件的可算得:

MOS管的頻率特性

MOS管的頻率特性

這是一個頻率相當(dāng)高的器件。實(shí)際上,MOS管的頻率,在MOS電路里的管,其最高頻率最少也要低2~3個數(shù)量級。這是因?yàn)榇嬖谠S多寄生電容。其中有金屬柵與源極擴(kuò)散區(qū)交迭造成的柵源覆蓋電容image.png(還包括引線間的分布電容)、柵和漏之間的附加寄生電容image.png;另外還有漏極與P型基片間的PN結(jié)電容和其他寄生電容,將構(gòu)成漏和源間的附加寄生電容image.png。這些電容附加到MOS管之上(如圖1-34),將使器件頻率特性進(jìn)一步變壞。

MOS管的頻率特性

在MOS集成電路里,除了MOS管的電容外,還有其他圖1-35 MOS管的一些寄生電容,在電路中起很大作用。這是MOS集成電路速度低謝加密生電容的原因所在。圖1-35表示MOS集成電路中各類寄生電容示意圖,其中:

image.pngMOS溝道電容;

image.pngPN結(jié)電容;

image.png:金屬覆蓋氧化層電容;

image.png金屬一薄氧化層-N區(qū)電容;

image.png金屬-厚氧化層-N區(qū)電容。

MOS管的頻率特性

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