关于FET等效电路电容模型中的能量非守恒问题

标题：On the Energy Nonconservation in the FET’s Equivalent Circuit Capacitance Model

摘要

摘要——本文回答了长期以来关于如何在场效应晶体管（FET）等效电路模型中非互易电容形式与能量守恒原理之间达成调和的问题。通过对模拟和测量数据的观察可知，C(v)矩阵的非互易性并非源于能量非保守电容系统，而是由于使用标准π等效电路拟合测量所得的Y参数而导致的附带效应。在本文中，我们展示了在FET的局部空间点上用于表示其沟道的导电和电容元件如何因Y参数的公式化而在外部混合在一起。因此，从FET等效电路模型提取的非线性电容并非应遵循能量守恒原理的实际电容元件。

关键词——电容、能量守恒、等效电路、场效应晶体管（FET）、非互易性、交叉电容、跨导。

文章研究了什么

本文研究了场效应晶体管（FET）等效电路模型中的非互易电容公式及其与能量守恒原理之间的关系。

• 在FET等效电路模型中，通过模拟和实验观察到C(v)矩阵的非互易性。研究表明，这种非互易性并非源自能量非保守的电容系统，而是由于采用适应测量所得Y参数的标准π型等效电路来描述FET而产生的附带效应。
• 将内在分布式的非线性RC网络简化为π型网络的过程，阻碍了导电和电容部分间的清晰区分，使得基于储能守恒原则来塑造电容元件功能依赖性的尝试变得困难。
• 文章还讨论了连续性方程以及FET沟道行为中栅极与沟道间单位长度的线性电容。

总体来说，本文旨在为FET等效电路模型电容矩阵中的能量非守恒现象提供一个全面的解释。

文章的创新点

• 本文对FET等效电路模型电容矩阵中的能量非守恒现象给出了全面的解释。
• 显示了FET等效电路模型中C(v)矩阵的非互易性并非源自能量非保守的电容系统，而是由于采用与测量所得Y参数相吻合的标准π型等效电路来描述FET所产生的伴随效应。
• 文章突出了在等效电路模型中分离导电和电容部分的挑战，这使得基于储能守恒原则明确塑造电容元件功能依赖性的做法变得困难。
• 讨论了FET沟道行为中的连续性方程以及栅极与沟道间的单位长度线性电容，为理解和分析FET的工作区域提供了深入见解。

综上所述，本文对FET等效电路模型中的非互易电容公式提出了新的见解，并挑战了认为电容函数必须来源于单一能量函数的观点。

文章的研究方法

• 本文运用模拟和实测手段观察并分析FET等效电路模型中的非互易电容公式，并将其与能量守恒原理进行对比。
• 同时，文章对FET的电容矩阵和等效电路模型进行了全面解析，探究了将内在分布式的非线性RC网络简化为π型网络对导电和电容部分分离的影响。
• 此外，文章结合小信号分析和基于实测得到的经验本构关系来描述等效电路模型中的各个元件。
• 研究方法融合了基于物理的推导方法和行为学方法，构建紧凑型FET模型。评估这些模型时，主要考察其表征能力和预测能力。
• 文章还提到了利用技术计算机辅助设计（TCAD）工具对空间分布模型进行模拟，并依赖于终端电压或电流来进行紧凑模型的设计与分析。

文章的结论

• 文章得出结论，FET等效电路模型中电容矩阵的能量非守恒现象并非源于能量非保守的电容系统，而是由于采用与测量所得Y参数相适应的标准π型等效电路描述FET所带来的间接效应。
• 文章指出，由于将内在分布式的非线性RC网络简化为π型网络，导致导电和电容部分难以清晰区分，因此，试图基于储能守恒原则塑造电容元件功能依赖性的做法缺乏物理依据。
• 文章提出，可测量的端子上的Y参数反映了FET分布式沟道的导电部分被映射到其电容元件上，这就使得试图将Y参数虚部赋予电容物理意义的做法失去有效性。因此，关于对称电容矩阵以及能量守恒公设的论断失去了基础。

总的来说，本文挑战了对FET电容矩阵能量守恒的传统理解，并提供了一个新的诠释，强调了等效电路模型的局限性。