MOS晶体管电容

1、【MOS晶体管电容】MOS晶体管电容前面讨论的主要是MOS管的静态特征。所涉及的电流-电压特性曲线可以用来研究MOS电路在不同工作条件下的直流响应。一个MOSFET管的动态响应只取决于它充（放）电这个器件的本征寄生电容和由互连线及负载引起的额外电容所需要的时间。下图是一个典型的n沟道MOSFET的剖面图和俯视图（掩膜图）。此前，因为我们主要关注MOSFET中载流子的运动，因此介绍的都是器件剖面图。前面讨论的主要是MOS管的静态特征静态特征。所涉及的电流-电压特性曲线可以用来研究MOS电路在不同工作条件下的直流响应。一个MOSFET管的动态响应动态响应只取决于它充（放）电这个器件的本征寄生电容和

2、由互连线及负载引起的额外电容所需要的时间。下图是一个典型的n沟道MOSFET的剖面图和俯视图（掩膜图）。图中LM 表示栅极的掩膜长度，L表示实际沟道长度。栅极-漏极和栅极-源极重叠区的长度都用LD 表示，则沟道长度为：L = LM 2LD现在我们开始研究器件寄生电容，因此要熟悉MOSFET的俯视图。图中LM 表示栅极的掩膜长度，L表示实际沟道长度。栅极-漏极和栅极-源极重叠区的长度都用LD 表示，则沟道长度为：L = LM 2LDMOS晶体管电容由于MOSFET结构的对称性，漏极和源极重叠区的长度通常相等。 LD 一般在0.1m的数量级。源极和漏极扩散区的宽度均为W。扩散区的长度用Y表示。注意

3、，源极和漏极的扩散区由p+掺杂区环绕，这个掺杂区也称为沟道停止注入区。顾名思义，这个附加的p+区的作用就是防止在两个相邻n+扩散区间形成不需要的寄生沟道，也就是确保两个n+扩散区之间的表面不会反型。由于MOSFET结构的对称性，漏极和源极重叠区的长度通常相等。 LD 一般在0.1m的数量级。源极和漏极扩散区的宽度均为W。扩散区的长度用Y表示。注意，源极和漏极的扩散区由p+掺杂区环绕，这个掺杂区也称为沟道停止注入区。顾名思义，这个附加的p+区的作用就是防止在两个相邻n+扩散区间形成不需要的寄生沟道，也就是确保两个n+扩散区之间的表面不会反型。因此，p+沟道停止注入区的作用就是将相同衬底上的相邻器

4、件进行电隔离。我们将这种MOSFET结构所具有的寄生电容等效看成在器件端点之间观察到的集总等效电容。这是因为这种集总表示易于用来分析器件的动态转移特性。MOS电容的片上电容是版图尺寸和制造工艺的复杂函数。这些电容绝大部分不是集总参数的，而是分布的。接下来，我们对片上MOSFET电容做简单的近似，这些电容模型是基于半导体器件基本理论建立的方程，能准确表述MOSFET电荷-电压间的重要特性。MOS电容的片上电容是版图尺寸和制造工艺的复杂函数。这些电容绝大部分不是集总参数的，而是分布的。接下来，我们对片上MOSFET电容做简单的近似，这些电容模型是基于半导体器件基本理论建立的方程，能准确表述MOSF

5、ET电荷-电压间的重要特性。MOS晶体管电容事实上，大部分器件寄生电容是由器件结构中三维分布的电荷-电压关系引起的。根据物理来源，器件寄生电容可分为两类：v 氧化相关电容v 结电容我们将这种MOSFET结构所具有的寄生电容等效看成在器件端点之间观察到的集总等效电容。这是因为这种集总表示易于用来分析器件的动态转移特性。事实上，大部分器件寄生电容是由器件结构中三维分布的电荷-电压关系引起的。根据物理来源，器件寄生电容可分为两类：氧化相关电容和结电容【MOS晶体管电容】氧化相关电容栅电极和源区以及漏区在边缘处有交叠。分别用CGD(交叠)和CGS(交叠)表示由这种结构排列产生的两个交叠电容。假设源极和

6、漏极扩散区的宽度相同，均为W，则交叠电容为。注意，这些交叠电容值与偏置条件无关，即它们是独立于电压的。氧化相关电容栅电极和源区以及漏区在边缘处有交叠。分别用CGD(交叠)和CGS(交叠)表示由这种结构排列产生的两个交叠电容。假设源极和漏极扩散区的宽度相同，均为W，则交叠电容为：DoxGDDoxGSLWCCLWCC交叠交叠式中：oxoxoxtC注意，这些交叠电容值与偏置条件无关，即它们是独立于电压的。氧化相关电容现在考虑因为栅极电压和沟道电荷的相互作用而产生的电容。因为沟道区和源极、漏极以及衬底都是相连的，所以我们能够在栅极和这些区之间确定三个电容，它们分别为：Cgs, Cgd, Cgb。注意，

7、栅极-沟道间的电容实际上是分布式的且与电压相关。u栅-源电容Cgs是从栅极与源极的端点之间看进去的栅-沟道等效电容；u栅-漏电容Cgd是从栅极与漏极的端点之间看进去的栅-沟道等效电容。通过观察截止模式截止模式、线性模式线性模式和饱和模式饱和模式下沟道区的情况，可以大致了解这些电容与偏置的关系。截止模式截止模式在截止模式下，表层不反型。因而没有出现连接表层和源、漏极的传导沟道。因此，栅-源电容和栅-漏电容都为0，即Cgs=Cgd=0。栅-衬底电容近似为：LWCCoxgb现在考虑因为栅极电压和沟道电荷的相互作用而产生的电容。因为沟道区和源极、漏极以及衬底都是相连的，所以我们能够在栅极和这些区之间确

8、定三个电容，它们分别为：Cgs, Cgd, Cgb。注意，栅极-沟道间的电容实际上是分布式的且与电压相关。栅-源电容Cgs是从栅极与源极的端点之间看进去的栅-沟道等效电容；栅-漏电容Cgd是从栅极与漏极的端点之间看进去的栅-沟道等效电容。通过观察截止模式、线性模式和饱和模式下沟道区的情况，可以大致了解这些电容与偏置的关系。在截止模式下，表层不反型。因而没有出现连接表层和源、漏极的传导沟道。因此，栅-源电容和栅-漏电容都为0，即Cgs=Cgd=0。栅-衬底电容近似为：Cgb=CoxWL氧化相关电容在线性工作模式下，源极和漏极间出现贯穿MOSFET的反型沟道。表面导电的反型层有效防止了栅极电场对衬

9、底的影响，因而Cgb=0。在这种情况下，可以认为栅-沟道的分布电容在源极和漏极间均匀分布，则：线性模式线性模式LWCCCoxgdgs21饱和模式饱和模式当MOSFET工作在饱和模式时，表面的反型层未延伸到漏极就被夹断了。因而栅-漏电容分量为0（Cgd=0）。由于源极和导电沟道相连，因此沟道的保护作用也使栅-衬底电容为0，即Cgb=0。最终，从栅极与源极间看进去的分布的栅-沟道电容近似为：LWCCoxgs32在线性工作模式下，源极和漏极间出现贯穿MOSFET的反型沟道。表面导电的反型层有效防止了栅极电场对衬底的影响，因而Cgb=0。在这种情况下，可以认为栅-沟道的分布电容在源极和漏极间均匀分布。

10、当MOSFET工作在饱和模式时，表面的反型层未延伸到漏极就被夹断了。因而栅-漏电容分量为0（Cgd=0）。由于源极和导电沟道相连，因此沟道的保护作用也使栅-衬底电容为0，即Cgb=0。最终，从栅极与源极间看进去的分布的栅-沟道电容近似为氧化相关电容下表列出了MOSFET在三种不同工作模式下的氧化电容近似值。显然，为了计算外部器件终端间的总电容，必须将分布电容Cgs和Cgd同相应的交叠电容组合起来。还要提到的是，三个与电压有关的分布氧化电容之和（Cgb+ Cgs + Cgd ）有最小值0.66CoxWL（在饱和模式下）和最大值（在截止和线性模式下）。在简单的手工计算中，可以认为三个电容并联。CoxW（L+2LD）在最坏情况下的值可作为常量用于MOSFET栅极氧化电容的总和。显然，为了计算外部器件终端间的总电容，必须将分布电容Cgs和Cgd同相应的交叠电容组合起来。还要提到的是，三个与电压有关的分布氧化电容之和（Cgb+ Cgs + Cgd ）有最小值0.66CoxWL（在饱和模式下）和最大值（在截止和线性模式下）。在简单的手工计算中，可以认为三个电容并联。CoxW（L+2LD）在最坏情况下的值可作为常量用于MOSFET栅极氧化电容的总和。【MOS晶体管电容】结电容结电容与电压相关的源-衬底和漏-衬底结电容Csb和Cdb是由嵌入衬底中的源和漏扩散区周围的耗尽区电荷产生的。结电