做电容 MOSFET番外篇一———电容的奥义

PS：2020.03.01，无锡的生活短暂而缓慢，今天就给大家整理了一下MOS电容相关的知识点。电容作为电路中经常会使用到的无源器件，相信大家一定不会陌生，但是在实际的工艺库中，关于电容，又有哪些需要注意的地方呢？

在不同FAB提供的标准单元工艺库内，电容是必不可少的，一般的工艺库中会提供以下电容：metal电容，MOS电容，poly（pip)电容等，最为常用的就是MOS电容啦！

MOS电容有很多好处，面积较小，且容值较大，但是缺点就是电容的精度不够。下面我们来着重介绍一下MOS电容！ 做MOS电容使用时，各个极的接法如下，栅极作为电容的正端做电容，源极漏极和衬底全部连在一起作为负端。

直接上图，以NMOS为例。下图是一个典型的NMOS内部电容，大家是不是一眼望过去有很多电容，看到这里请不要慌（当时我就慌了），因为有很多不需要你关心。

Pic1

我们先介绍一下上述的各个电容，然后指出你需要关心的那一个，其他的都可以不用管。

C1：从图上看，存在于栅极G和电子沟道之间，那么栅和沟道之间的层次是什么，Metal-Oxide_Semi，是氧化层。大家还记得MOSFET的工作原理吗：栅极加电压，形成从栅指向衬底的电场，吸引电子形成沟道。这氧化层，不就是一个平板电容吗？高中物理老师教我们，平板电容的公式是C=S/（4Πkd），这个S就是指面积，1/4Πkd可以认为是单位面积的容值。但这个C1的面积是多大呢？

Pic2

如Pic2所示，Pic2是一个MOS管的立体图，很明显看出来，C1的面积是W*L，所以我们C1的容值就是WLCox（Cox代表单位面积的容值）。（题外话，metal to metal用的也是平板电容的原理）

C2：C2位于沟道和衬底之间，所以他是个衬底和沟道之间的电容，也是正比于W*L的面积的，不用太关心。

C3/C4：C3和C4是栅和源漏交叠部分的电容，大家注意，Oxide的平板电容明显包括了C1+C3+C4哦！那假设交叠的长度记成LD，单位交叠电容的容值记作Cov，那么想必大家已经计算出来了C3=C4=W*LD*Cov。

C5/C6：这两个电容式源极，漏极分别与衬底之间的电容，可以先不用太关心。

总结：C1,C3,C4占比容值大部分，这三个部分就是我们常说的CGS，CGD。另外的C2，C5，C6相对较小可以忽略。

了解了每个电容的组成成分，现在来说一下在各个工作区间内，MOS电容的组成成分：

截止区：截止区由于不存在沟道，所以栅极到沟道的电容可以认为为零，仅存在源极和漏极分别与栅极的交叠电容。

CGS=CGD=W*LD*Cov

课本上把LD给约去了，理由是交叠电容的影响因素非常复杂，不能单纯使用平板电容的公式去替代，但是作为一个IC电路工程师我觉得不用管这么多，用上面的公式更容易方便理解。

线性区：当VDS电压较小时，系统工作在线性区，正因为线性区的源漏压差较小，所以对靠近源极的平板电容和靠近漏极的平板电容影响不大，可以认为CGS=CGD，具体容值分析如下：

C总=C1+C3+C4=WLCox+2W*LD*Cov

当然以上忽略了C2，C5，C6容值较小的部分，CGS+CGD=C1+C3+C4，则

CGS=CGD=WLCox/2+W*LD*Cov

饱和区：饱和区由于漏极电压要大于源极，并且伴随着沟道向左夹断，氧化层中的电场存在强弱梯度，所以做电容，处于漏极部分的电容值仅为漏极的交叠电容，即是

CGD=W*LD*Cov

而CGS就包含了源极交叠电容外加栅极与沟道电容（原因是沟道夹断，沟道位置往左偏，所以沟道与栅极的电容就应该包含在CGS之中）

CGS=W*LD*Cov+W*Leff*Cox*2/3