MOS電容C-V特性的理解

MOS電容C-V特性的理解該內(nèi)容轉(zhuǎn)載自IC設(shè)計(jì)是玄學(xué)關(guān)于MOS電容C-V特性的理解在集成電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)用到MOS管作為電容，由于MOS電容是一個(gè)柵控電容，所以其容值并不精確，所以在高精度電路中MOS電容不能被應(yīng)用，但是MOS電容的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省面積，所以在對(duì)容值精度要求不高的電路中，MOS電容應(yīng)用較多，比如作為穩(wěn)壓電容，濾波電容等等。由于MOS電容容值隨電壓變化，下面我們分析MOS電容的C-V特性。MOS電容形成機(jī)理MOS結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1MOSC-V等效電容模型其中是加在MOS結(jié)構(gòu)的總電壓，是降落在氧化層上的電壓，是降落在半導(dǎo)體上（耗盡層）的電壓，是金屬極板感應(yīng)出的電荷量，是半導(dǎo)體一側(cè)（下文稱為耗盡層）感應(yīng)出的電荷量。MOS電容可以等效為氧化層電容和耗盡層電容的串聯(lián)，氧化層電容為COX，耗盡層電容為CS，降落在氧化層上的電壓為VOX，降落在耗盡層上的電容為VS，氧化層電容感應(yīng)出的電荷為QOX，耗盡層電容感應(yīng)出的電荷為QS。所以MOS電容可以推導(dǎo)如下：通過在MOS結(jié)構(gòu)上加不同的柵壓來分析MOS結(jié)構(gòu)的電容，柵壓可以用直流信號(hào)加交流信號(hào)來模擬，首先上一張?jiān)诘皖l信號(hào)下MOSC-V特性圖：圖2低頻信號(hào)下MOSC-V特性原理分析（低頻）我們以NMOS結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析，首先在MOS結(jié)構(gòu)兩端加負(fù)電壓，如下圖所示：圖3MOS兩端電容加負(fù)壓NMOS兩端加負(fù)壓后，金屬極板帶負(fù)電荷，所以在半導(dǎo)體一側(cè)（對(duì)于NMOS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體一側(cè)是p-sub，下文用p-sub來代表半導(dǎo)體一側(cè)）就會(huì)感應(yīng)出正電荷，由于p-sub中多子是空穴，所以在p-sub頂端就會(huì)感應(yīng)出多子空穴，此過程稱為多子積累，這樣電壓VG的變化只會(huì)在氧化層兩端感應(yīng)出相應(yīng)的電荷，所以MOS電容就是氧化層電容。氧化層電容的容值為：其中是氧化層介電常數(shù)，是氧化層厚度?，F(xiàn)在在NMOS兩端加正電壓，如下圖所示圖4MOS兩端電容加正壓在正電壓比較小時(shí)（反型前），在柵極感應(yīng)出正電荷，在加正壓后，電場(chǎng)方向由柵指向p-sub，所以氧化層下面的空穴會(huì)被排斥如圖4（a）所示，所以在氧化層下面會(huì)出現(xiàn)空間電荷區(qū)，這個(gè)電荷區(qū)是帶負(fù)電的。隨著電壓的增大，空間電荷區(qū)逐漸變寬。這時(shí)表現(xiàn)出來的就是氧化層電容和空間電荷區(qū)電容的串聯(lián)。所以，隨著MOS兩端電壓的增大，耗盡層逐漸變寬，MOS電容可由下式?jīng)Q定其中是氧化層厚度，是耗盡層厚度。由上式可得隨著耗盡層厚度的增加，MOS電容減小。隨著電壓的繼續(xù)增大，開始出現(xiàn)反型層電荷，這時(shí)p-sub的負(fù)電荷來自兩部分一部分來自p-sub空間電荷區(qū)的展寬，另一部分來自p-sub頂端的反型層電荷，隨著電壓的增大，空間電荷區(qū)增加，空間電荷區(qū)的增加導(dǎo)致電容減小，同時(shí)反型層電荷也在增加，而反型層電荷的增加會(huì)導(dǎo)致電容變大，隨著外加電壓VG的增加，反型層電荷所占的比重越來越大，所以在弱反型階段，MOS電容是一個(gè)先減小后增大的過程。隨著電壓的繼續(xù)增大，出現(xiàn)強(qiáng)反型，此時(shí)空間電荷區(qū)達(dá)到最大，此時(shí)半導(dǎo)體p-sub一側(cè)的負(fù)電荷基本都由反型層電荷提供，所以此時(shí)的電容就是氧化層電容。所以強(qiáng)反型以后，MOS電容基本不變，強(qiáng)反型MOSC-V特性如下：所以最終C-V特性如下圖所示。圖5低頻信號(hào)下MOSC-V特性MOS電容（高頻）在MOS兩端加負(fù)壓和小的正壓時(shí)（反型前），p-sub處在積累和耗盡狀態(tài)，MOS高頻和低頻C-V特性是相同的，因?yàn)榉e累是電容下極板產(chǎn)生空穴，而空穴是多子，數(shù)量很多，所以能夠跟得上高頻信號(hào)的變化。在耗盡情況下，p-sub感應(yīng)出空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的負(fù)電荷是由不可動(dòng)的受主雜質(zhì)提供，這與低頻情況下是一樣的，所以在MOS在反型前，高低頻C-V特性一致。當(dāng)在高頻情況下，在MOS反型時(shí)，由于反型層電荷的產(chǎn)生不是一個(gè)很快的過程，所以跟不上高頻信號(hào)的變化，所以反型層電荷并不貢獻(xiàn)電容。同時(shí)在強(qiáng)反型時(shí)，耗盡層厚度達(dá)到最大值，當(dāng)高頻信號(hào)變化時(shí)，耗盡層厚度會(huì)產(chǎn)生輕微的變化來響應(yīng)高頻信號(hào)，所以在高頻情況下強(qiáng)反型時(shí)MOSC-V電容只有耗盡層貢獻(xiàn)。表達(dá)式如下：所以高頻C-V曲線如圖5實(shí)線所示。圖6MOS高低頻C-V特性關(guān)于反型層電荷的產(chǎn)生問題在p-sub內(nèi)部，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合一直在發(fā)生并處于動(dòng)態(tài)平衡中，在MOS加正壓開始產(chǎn)生反型層電荷時(shí)，由于在p-sub和氧化層附近有很強(qiáng)的電場(chǎng)，所以在載流子產(chǎn)生時(shí)，電子就被電場(chǎng)掃到p-sub頂端（氧化層底端），這就是反型層電荷的來源。那么電子和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的，電子被電場(chǎng)掃到p-sub頂端（氧化層底端），剩余的空穴去哪里了呢？空穴也會(huì)被電場(chǎng)向下排斥，最終這些空穴會(huì)被電源上的電子所復(fù)合。MOS電容在電路中的應(yīng)用NMOS電容在電路中當(dāng)作電容應(yīng)用時(shí)，一般都是D，S，B都接地，而不是只有B接地，為什么？圖7MOS的不同接法從前文的MOSC-V特性分析中我們可以得到：圖7（b）的接法與前文分析的情況是一致的，所以其C-V特性如圖6所示。如果在MOS柵端出現(xiàn)大電壓高頻信號(hào)時(shí)，MOS的容值很小,其值為:如果在MOS柵端出現(xiàn)大電壓低頻信號(hào)時(shí)，MOS電容為：所以圖7（b）中電容在高低頻下容值不一樣，如果NMOS在電路中作為濾波電容，肯定會(huì)影響濾波效果。對(duì)于圖7（a）中NMOS電容，由于D，S，B端都接低電位，所以在NMOS加高頻大電壓信號(hào)時(shí)，由于NMOS反型層電荷已經(jīng)形成，所以D，S被反型層電子連接起來，當(dāng)高頻信號(hào)變化時(shí),S，D端的電子就會(huì)源源不斷的送往溝道，形成反型層電荷，所以能夠跟得上高頻信號(hào)的變化，所以圖7（a）中接法NMOS電容在高低頻電容是一