MOS场效应晶体管高频特性的工作原理分析

MOS场效应晶体管的高频特性正在逐年提高，它的实用频率已扩展到甚高频乃至超高频段。一般说来，场效应晶体管与双极型晶体管相比，在高频方面具有非线性小，大信号特性良好的特点。而MOS型场效应晶体管与结型场效应晶体管相比，结型管沟道中多数载流子的迁移率高，而MOS型结构简单，有利于微型化。MOS管结构高频。对单栅型而言，两类场效应晶体管的高频特性可以说没有多大差别¹⁾，但在结构复杂的级联型方面，MOS型的较为有利，已经出现许多产品，并应用于各个方面。

目前的高频MOS场效应晶体管，大体为分为单栅型和级联复栅型两类^●）。前者因结构简单（参照图2.1（a））便于制造，在gm相当时截止频率较高，但反馈电容较大；后者的结构较为复杂（参照图2.1（b）），而反馈电容较小，因有两个控制电极，使得自由度增加，便于调节增益，但截止频率低一些。高频用的场效应晶体管，为使取得大一些，所以沟道应做得很窄，而且为了提高gm，必须增加栅的长度。

●）对单栅型场效应晶体管而言，结型与MOS型均容易得到相同数量级的频率特性，由于结型临界电压稳定，不用担心栅损坏，以采用结型为宜；而另一方面，对级联栅型而育，因其结构复杂，MOS型较结型有利于微型化，故以采用MOS到为官。

为此，可采用图2.2所示的蛇形图案，级联栅型的芯片面积尤其要增大一些。这些高频场效应晶体管通常多封装在TO-72的管壳内。MOS管结构高频。典型的管脚接线如图2.3所示。

因为MOS场效应晶体管的栅绝缘膜薄、漏泄电流小，从而栅容易带电。因此，往往因摩擦起电或烙铁漏电，或因其它冲击性的电脉冲而使栅绝缘层破坏。为了防止此种情况发生，可在栅上加保护二极管，这样，栅电压就不会超过某一定值^2）。

特别是用在高频的，多采用增强与耗尽两种模式的动作，所以多使用图2.4那样的背靠背二极管，藉二极管的反向击穿特性起到保护作用^●）。最近，保护二极管与场效应管本体多做在同一芯片上，即以所谓“单片型”结构为主。

西格内特（Signetics）公司有商品化的双扩散型 MOS晶体管（简称D-MOS）。但是，本质上具有同样结构的场效应晶体管，应说是1969年垂井等人最先研制成功的^3）。基本结构如图2.1（C）（单栅型），采取双扩散工艺可自动确定狭窄的沟道宽度，以及在漏附近有高阻漂移场区域（有提高漏结击穿电压和减少反馈电容的作用）为其特点。MOS管结构高频。西格内特公司生产有单栅型（SD200/201）和复栅型（级联型，SD300/301）双扩散MOS晶体管。SD200于1GHz时可得到8dBmin的增益（MAG），4.5dBmax的噪声系数，而SD301分别可得10dBmin和7dBmax等较优的特性。

（1）单栅型MOS场效应晶体管的高频特性

单栅型MOS场效应晶体管的结构可参看图2.5（a），与源接地和栅接地相对应的等效电路分别如图2.5（b）、（c）所示。

为了提高高频特性，可将底座接地。图中虚线以外的“元件”来是由管壳和芯片的引线等形成的，虚线以内的“元件”对应于芯片部份。

●）背靠背二极管中间结点的电位，有时不能跟随栅电压作快速变化。为使中间结点的电荷通过两个二极管的反向而放电，需要时间。若保护二极管的静电电容不能忽略时，会引起过渡性的失谐。因此，宜避免栅电压的急剧变化。

MOS场效应晶体管的y参数容易由等效电路得到，当忽略电感因素时，以源接地为例，大致可得到如下各式。

这些公式在，时成立。式中的各器件参数定义如下：

Ci为栅电容，是几乎与偏压无关的恒定值。

Ci+Cˊi为输入电容

gm为跨导的低频值。它与偏压的关系为

为栅电阻，是由栅方面看入的沟道部份的电阻，其值约为

为反馈电容

go为沟道电导

Co为漏结电容（有的关系）

Co+Cˊo为输出电容

ro为漏结串联体电阻

应该注意，当栅接地时，图2.5（C）等效电路的输入导钠（只考虑本征部份，略去Css）为

典型的高频用单栅型MOS场效应晶体管源接地时的Y参数的频率关系如图2.6所示。明显地表现出上述Y参数的频率依从特征，由此也可推算器件参数值。MOS管结构高频。由图2.6算得的最大可用功率增益Gma和罗烈特（Rollet）的稳定系数值如图2.23所示，由此可知，虽然MOS场效应晶体管的反馈电容相当小，但因输入阻抗很高，故稳定度不高。因此，希望在高频下得到高增益时，必须进行中和，这是很不方便的。

结型场效应晶体管在超高频段等这样较高频率下使用时，栅接地比源接地有可能得到稳定度较高的放大，但对MOS场效应晶体管来说，由于源-本底之间的结电容加到输入侧，使频率特性大大变坏，所以目前通常不采取栅接地的方式。

单栅型MOS场效应晶体管的各高频参数对偏置条件的依从关系中，与偏置的关系不太大，通常可以忽略^●）（这一点与级联栅型相同）。在几乎不受沟道电阻go影响的高频频段，受Co对VDS依从性的控制。但频率降低后，则受go对ID的依从性的影响，大致上具有的关系（参阅图2.7）。尤其是高频用场效应晶体管等衬底杂质浓度低的器件，值容易增大，在ID=10mA时其输出阻抗为10~20kΩ量级，与晶体管相比，其输出阻抗往往较低。MOS管结构高频。另外，我们注意到VDS越高，go越小，但在击穿电压附近急剧上升（这也与级联栅型类似，请参见图2.13）。当VDS在5V以下时，亦急剧增加(参阅图2.8)。

●）但在三极管工作区城或极低电流的区域，有减小的趋势。

目前高频用单栅MOS场效应晶体管的商品品种不太多，有如表2.1所列，大体上应用于甚高频频段。

（2）级联型复栅MOS场效应晶体管

如上所述，单栅型场效应晶体管的高频不稳定性，可藉共源-共栅接法而得到改善。由输入端源接地的场效应晶体管与输出端栅接地的场效应晶体管级联而成的电路如图2.9所示。

设前级场效应晶体管的y参数为

则级联电路的y参数可表示为^4）

在远比gm截止频率为低的频率下，gm2（~gm1）值在D中起决定性作用，所以，值可用前级的值近似，而，值则降低。如设yc=yb，此值变为1/（μ2+2），式中的μ2等于gm2/yd，就是后级场效应晶体管的电压放大倍数。因此，后级的场效应晶体管如处于五极管区域，反馈电容就大大减少，几乎等于引线电容，而且低频输出导纳也减少^●），总的来说，稳定度得到提高。

●）在由漏-本体电容和本体串联电阻决定的范围内，亦即在与ω²成正比的区域内，输出电导与单栅型相同。

由于其高稳定度以及下述的各种优点，这种型式的场效应晶体管已制出应用于甚高频段的产品。MOS管结构高频。它的剖面结构如图2.1（b）所示似乎很简单，但实际上源-漏间距较宽，实际的图形如图2.2所示，相当复杂。

直流特性和低频特性

级联型MOS场效应晶体管的直流特性可由两个场效应晶体管直流特性简单合成。亦即，两个场效应晶体管的漏电流相等，总漏电压为两管漏电压之和，并且可认为第二个场效应晶体管实质上是受栅-岛间电压控制的。因系两管串联，即使一管的栅电压增加，漏电流亦受到另一管的限制，而不能增加（参阅图2.10）。

gm与偏压的关系也可由直流特性导出。有随漏电流的增加而减少的区域（参照图2.11）。

高频特性

y参数与频率的关系如图2.12所示，在实用频段内与单栅型类似，由于反馈电容，亦即大大降低，有可能进行稳定的工作（参阅图2.23）。反过来，因为两条沟道串联，致使的频率特性变坏（参阅图2.12）。

高频参数与偏置的关系，同单栅型一节中所述内容大体相合，但低频的稍许不同，值本身比单栅型的低，如在第二栅沿耗尽方向加过量的偏压，则增大，输出阻抗降低（参阅图2.13、2.14）。

这种类型的MOS场效应晶体管有较低的交扰调制特性。如图2.35所示，随着反馈电容的降低，自动增益控制时的频率偏移也减少了，所以该管有可能广泛应用于甚高频电视的前置级等方面。其商品如表2.2所示。MOS管结构高频。几乎所有产品都备有栅保护二极管，实用频率为400~500MHz。

（3）MOS场效应晶体管的高频噪声特性^5）

关于噪声机制等问题将另立一节详述，此处只着眼于高频噪声。源接地的MOS场效应晶体管噪声系数F的理论公式可表示如下。

式中为信号源导纳

为最佳信号源导纳。

为等效噪声电阻

改变信号源导纳，使（噪声调谐）和（噪声匹配），可实现最低噪声系数Fmin。通常，与增益最大时的信号源导纳不同。考虑到沟道部份的热噪声以及由此而在栅电极上感应的噪声，如忽略这两种噪声的相关性时，Fmin的一个理论公式为

它由特征频率fo所决定。此外MOS场效应晶体管，由于界面态等原因产生的噪声可扩展到高频，还有其它寄生因素的损耗，特别是级联型级间失配等原因，一般给出的Fmin数值较上式为大。图2.15所示的式（2.11）与市售场效应晶体管的数据比较可得出一个大致的标准^●）。

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