浅析MOS场效应晶体管和集成电路的速度限制特性

一般来说，与普通的硅MOS场效应晶体管比较，硅双极型晶体管能够在高得多的频率下工作。MOS场效应晶体管工作速度相对较低，其中一个主要原因是存在颇为可观的栅-漏电容。对于增强型器件，因为在栅-源电压为零时，并不存在原始沟道，栅电极必须完全覆盖漏-源之间的间隙，这样，当施加适当极性的栅极电压时，在这两区之间可以形成导电沟道。栅电极的设计通常是使它和漏及源电极略有重迭，以便在制作过程中，栅电极定位时即使稍有出入也不致使器件失效。这时因为栅-漏之间和栅-源之间的重迭，在它们之间用又有薄的绝缘层隔开，所以在普通的MOS场效应晶体管结构中，可以观测到数值明显的寄生栅-漏电容和栅-源电容。尤其是因为MOS放大（或反相器）级的输出是从漏电极取得，而输入是加在栅电极上的，栅-漏电容就可以看作是从输出端回到输入端的反馈电容器。因为放大器的反相作用，输出相对于输入信号有180度的相位差。经过栅-漏电容的反馈信号是负反馈。当工作频率增加时，负反馈电容器的作用也随着增加，而观测到的增益则开始迅速下降。

在比较双极型和MOS器件相对速度时，另一个非常重要的考虑是这两种结构的单位面积跨导的典型数值的差别。因为采用常规工艺技术制作的硅MOS场效应晶体管的单位面积的跨导常常是小于在相似电流水平上工作的硅双极型晶体管。用MOS场效应晶体管来使一给定的电容负载充电或放电所需要的时间往往大于双极型晶体管所需的时间。实际上，MOS场效应晶体管的栅极输入阻抗是纯电容性的。这个电容必须经过充电或放电才能改变器件的状态。因此，在集成电路应用中，某一特定级的栅极输入电容必须由前级来充电和放电，MOS器件的充电和放电所需时间越长，电路速度就越慢。

MOS场效应晶体管的跨导和栅极输入电容之比可以用作器件的速度或采用类似器件互连组成的集成电路相对速度的品质因数。

（gm/ci）比值可用下列方法增加：

1、外加较高的栅-源电压以强化MOS场效应晶体管。

2、增加反型层内载流子迁移率。

3、减小漏-源间距。

4、减小由于栅极与漏区和源区重达而产生的寄生电容，从而减小栅极输入电容。

当然，MOS场效应晶体管的跨导可用增大器件沟道宽度的方法来提高，可是，栅极输入电容也按同样的比例增加，而（gm/cin）比值保持不变。同理用介电常数较高的材料来做栅极绝缘物或者减小栅极绝缘物的厚度，对比值也不会产生影响，因为跨导和栅极输入电容都将按同一因子增加。（然而，如果考虑数值不变的杂散电容的效应，则这些量的增加会引起速度的二级效应增加。）

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