MOS场效应晶体管的等效电路图及其电路特性详解

由考察MOS场效应晶体管的结构发现，器件的物理性质可以概括为由分立元件构成的等效电路。而这个等效电路又可以用来预测随频率而变的MOS场效应晶体管的特性¹。图7-1表示一个典型的（n沟道）MOS场效应晶体管的横截面图。在物理性质上与结构每一部分有关的各个分立元件也在对应的区域表示于图中。用来表示各分立组件的符号规定如下：

CCh=栅电极对有源沟道区的电容。

CDb=随漏-衬电势而变的漏-衬结电容。

CSB=随源-衬电势而变的源-衬结电容。

CGD=栅-漏负反馈电容。

CGS=栅-源电容。

DDB=在扩散漏区与衬底之间所形成的二极管。

DSB=在扩散源区与衬底之间所形成的二极管。

RD=动态漏-源电阻。

通过MOS场效应晶体管的总漏极电流可以表示成

式中，IDO表示在特定的固定直流工作点上的漏极电流稳态值，i表示漏极电流的任何增量变化。同理，外加栅极电压可以表示成

式中，VGO表示在直流工作点上，栅极电压的稳态值，VG表示栅极电压的增量变化。在漏电压保持常数时，可以写成

因为跨导的定义是

由此可知，作为外加栅极电压的任何增量变化函数的漏极电流的增量变化可以简化为

在正常工作条件下，源-衬一般是连接成公共的；因此，二极管DSB和电容CSB一起被短路。而且，因为n沟道件的外加漏电压取正值，二极管DDB开路，可以从等效电路中去掉，而不影响结果。当然，反偏置结电容CDB将随漏-衬电压而变。应该指出：对于p沟道MOS场效应晶体管的小信号等场效应晶体管，二极管DDB和DSB的连接方向与图7.1所表示的方向相反。然而，对于源-衬共接有适当偏压的p沟道器件，这两个二极管同样可以从等效电路中去掉，这一点对p和n沟道MOS场效应晶体管同样有效。这个增量等效电路如图7.2所示，图中的栅-源输入电容Cin等于CBS和CCh的并联值。

图中所示的增量等效电路，现在可以用来考察随频率而变的任何MOS场效应晶体管电路的特性。例如，考虑如图7.3所示的简单的线性放大器，这个放大器由负载电阻RL和n沟道MOS场效应晶体管所组成。C是隔直流电容，适当选择电阻器RA和RB以使晶体管完全偏置在饱和漏极电流区内。如果电路是由内阻为R1数值为v的小信号电源激励的，放大器的等效增量电路则如图7.4所示。根据诺顿（Norton）定理，并代换等效的小信号输入电流源，线性放大器的等效电路可以表示成如图7.5的简化形式，完全用导纳项来

描述，各个导纳可以给成

和

对于节点A和B应用克希霍夫电流定律，在节点A得到

在节点B

方程（7.9）和（7.10）可用矩阵形式表示

现在规定

矩阵A的行列式是

因此，A的逆矩阵是

因为AA^-1=I，此处I是单位矩阵，由此可知（7.11）来以^A-1可以得到

将（7.14）代入（7.15），进行必要的矩阵乘法运算，给出

因此，小信号输出电压为

放大器的增量增益为

将（7.13）代入（7.18）相乘，并整理各项得到增量放大器的表达式如下

对于低频工作条件，容性导纳是比较小的，因此，在ω很小时，Y1，Y2和Y3可以近似等于

于是，在低频时，线性MOS放大器的增量增益的一般表达式可以近似等于

根据放大系数，方程（7.21）可以改写成

当在夹断点以上（即RD》RL）工作时，如晶体管呈现较大的漏极饱和电阻，低频增益将近似等于-gmRL。在高频时，则（7.20），（7.21）和（7.22）的近似表达式不再成立，容性导纳的影响将变得相当明显，放大器的增益将下降。在此条件下，必须用（7.19）计算放大器的增益。

减小MOS场效应晶体管结构的寄生电容，就可以大大改善放大器和一般MOS集成电路的高频性能。当然，要减小有源沟道电容CCh，就必然要按比例地减小器件的跨导。采用杂质掺杂浓度较低的衬底，可使反向偏置的漏-衬结电容CDB减小，但是必须注意，这样做往往会使在给定的漏源间距条件下夹断点以上的动态漏-源电阻下降。从另一方面来说，消除寄生电容CGD和CGS，对晶体管三端电流-电压特性实际上没有什么影响，但是高频工作性能却可得到很大的改善。能够大大减小交迭电容的自对准栅电极绝缘栅场效应晶体管结构，将在本章后面叙述。

研究如（7.19）给出的线性放大器的高频增益特性能是有意义的。当用来作为有源元件时，MOS场效应晶体管的栅电极对于漏区和源区都是自对准的，而制作器件的衬底电阻率相当高。对于这样的器件，CGD，CGS和CDB都很小，极间导纳近似等于

在上述条件下，将（7.23），（7.24）和（7.25）代入（7.19）可以得到放大器的增益，这个结果是

经过整理得到

如果由（7.21）表示的放大器的低频增益记为GO，那么由（7.27）表示的高频增益与低频增益之间关系就是

因此，从（7.28）可知，MOS场效应晶体管器件的寄生电容CGD、CGS和CDB极小，可以用图7.6所示的简单分压器电路，依照低频增益G0来近似地描述MOS放大器的高频增益特性。

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