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MOS电容(rong),最全面MOS管的高频(pin)小信号电容(rong)文章

信息(xi)来源(yuan)：本站　日(ri)期：2017-09-18　

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MOS管的高频小信号电容

从MOS管(guan)的几何(he)构造及工作(zuo)原理(li)能够发现(xian)，MOS管(guan)存(cun)在着(zhe)多种电(dian)容，这会影响MOS管(guan)的高频性能。

依据MOS管的几何构造构成的各类电容如图1.5所示，详细为：
mos管

(1)栅(zha)与(yu)沟道之间的(de)栅(zha)氧(yang)电(dian)(dian)容(rong)C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅(zha)氧(yang)电(dian)(dian)容(rong)ε0x/tox。

(2)沟道耗尽层电容C3=W）：其中q为(wei)电子电荷，εsi硅(gui)的介电常数(shu)，Nsub为(wei)衬底浓度，φF为(wei)费米能级。

(3)交(jiao)叠(die)电(dian)(dian)容（多晶栅掩盖源／漏(lou)区(qu)所构成的(de)(de)(de)电(dian)(dian)容），每单位宽度的(de)(de)(de)交(jiao)堯电(dian)(dian)容记(ji)为Col，由(you)于是环状的(de)(de)(de)电(dian)(dian)场线(xian)，Col不能简(jian)单计算得到，且它(ta)的(de)(de)(de)值与衬底偏(pian)置有关。交(jiao)叠(die)电(dian)(dian)容主(zhu)要有栅/源交(jiao)叠(die)电(dian)(dian)容Cl= WCol与栅／漏(lou)交(jiao)叠(die)电(dian)(dian)容C4= WCol。

(4)源(yuan)(yuan)／漏区(qu)与(yu)衬底(di)间(jian)(jian)的结(jie)电(dian)(dian)容(rong)(rong)：Cbd, Cbs，即为漏极(ji)、源(yuan)(yuan)极(ji)与(yu)衬底(di)之间(jian)(jian)构(gou)成的PN结(jie)势垒(lei)电(dian)(dian)容(rong)(rong)，这种电(dian)(dian)容(rong)(rong)普通由两(liang)局(ju)部(bu)(bu)组(zu)成：一局(ju)部(bu)(bu)是垂(chui)直方向（即源(yuan)(yuan)／漏区(qu)的底(di)部(bu)(bu)与(yu)衬底(di)间(jian)(jian)）的底(di)层电(dian)(dian)容(rong)(rong)，以(yi)单(dan)位(wei)面积PN结(jie)电(dian)(dian)容(rong)(rong)Cj权衡；另(ling)—局(ju)部(bu)(bu)是源(yuan)(yuan)／漏区(qu)的周围与(yu)衬底(di)间(jian)(jian)构(gou)成的横向圆周电(dian)(dian)容(rong)(rong)，以(yi)单(dan)位(wei)长度结(jie)电(dian)(dian)容(rong)(rong)Cjs来(lai)衡最(zui)。单(dan)位(wei)面积PN结(jie)的势垒(lei)电(dian)(dian)容(rong)(rong)Cj可表示为:

C_j=C_jo/[1+V_R/φ_B]^m

式(1.1)中Cjo为PN在零偏(pian)电(dian)压时(shi)单位(wei)底面积(ji)结电(dian)容（与(yu)衬(chen)底浓(nong)度有关(guan)），VR是(shi)加于(yu)PN结的(de)反偏(pian)电(dian)压，φB是(shi)漏／源区与(yu)衬(chen)底问的(de)PN结接触势垒(lei)差(cha)（普通(tong)取0.8V），而m是(shi)底面电(dian)容的(de)梯(ti)度因子，普通(tong)取介于(yu)0.3～0.4间的(de)值。

因而，MOS管源／漏区与(yu)衬底间总(zong)的结(jie)电(dian)容可表示为：

CBD.BS=WHCj+2（W+H）Cjs

式(1.2)中(zhong)H是(shi)指源、漏区的长度(du)，W是(shi)MOS管的宽度(du)。

由式(1.2)可发(fa)现：不同MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)源/漏区(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)几何外形，即(ji)不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)源／漏区(qu)面积和圆周尺寸值，存在(zai)(zai)着不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)结电容。在(zai)(zai)总的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)宽长比(bi)相同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)状况下(xia)，采用并联合构，即(ji)MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)H不变，而每一个MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)宽为原来的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)几分之一，则(ze)MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)源／漏区(qu)与衬底间总的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)结电容比(bi)原构造小。

例(li)1.2 分别求(qiu)出以下(xia)三(san)种条件下(xia)MOS管源／漏区(qu)与衬底间总的(de)结(jie)电(dian)容(假定任何，个MOS管的(de)源／漏区(qu)的(de)长(zhang)度(du)都为H)：

①(W/L)=100的一个MOS管(guan)；

②(W/L）1，2=50两(liang)个MOS管并联；

③(WIL)1～5=20的5个MOS管并(bing)联。

解：为(wei)了计算便(bian)当，假(jia)定一切(qie)MOS管的沟道(dao)长(zhang)度L=0.5μm，H=lμm则有

①CBD,BS:WHCj+2(W+H)Cjs=200Cj+402Cjs

所以总的(de)源／漏(lou)区(qu)与衬底(di)问的(de)结(jie)电容为Cbd+Cbs=400Cj+804Cjs

②Cbdl, 2=Cbs1=Cbs2=100Cj+202Cjs

所以总的源／漏区与衬底间的结电容为Cbd1十Cbs1+Cbd2=300Cj+606Cjs

③Cbd1,2=Cbd3,4=Cbd5=Cbs1=Cbs2,3=Cbs4, 5=40Cj+82Cjs

所以总的源／漏区与(yu)衬底间(jian)的结电(dian)容(rong)为(wei)

Cbdl,2+Cbd3, 4+Cbsl+Cbs2, 3+Cbs4,5+Cbd5=240Cj+492Cjs

2．MOS管的极间电容及其随栅／源电压的变化关系

由于在模仿集成电路中，MOS管普通以四端器件出现，因而在实践电路设计中主要思索MOS管每两个端口之间存在的电容，如图1.6所示，源／漏两极之间的电容很小可疏忽不计，这些电容的值就是由前面剖析的各种电容组合而成，由丁在不同的工作区时MOS管的反型层厚度、耗尽层厚度等不同，则相应的电容也不相同，所以关于MOS管的极问电容能够分为三个工作辨别别停止讨论。

(1)截止区

漏(lou)／源之间(jian)没有构成(cheng)沟道，此(ci)时固然不存在(zai)反型(xing)层，但可(ke)能产生了耗(hao)尽层，则有栅／源之间(jian)、栅／漏(lou)之间(jian)的电(dian)容为：CGD=CGS= WCol；

栅极与衬底间的电容为：CGB=（WLCox)Cd/(WLCox+Cd)，即栅氧电容与耗尽层电容Cd的串联，其中乙为沟道的有效长度，且

CSB与CDB的值分别(bie)是源极、漏极与衬底(di)间(jian)电压的函数，能够(gou)由(you)式(1.2)求(qiu)解(jie)出(chu)。

(2)饱和区

在此工作区，MOS管的(de)(de)(de)沟(gou)(gou)道在漏端(duan)曾经发作夹断，所以栅(zha)(zha)／漏电(dian)(dian)容(rong)CGD大约为(wei)WCol;同(tong)时MOS管的(de)(de)(de)有效沟(gou)(gou)道长度(du)缩短，栅(zha)(zha)与(yu)沟(gou)(gou)道间的(de)(de)(de)电(dian)(dian)位差从源(yuan)区的(de)(de)(de)VGS降落到夹断点的(de)(de)(de)VGS-Vth导致了(le)在栅(zha)(zha)氧下的(de)(de)(de)沟(gou)(gou)道内的(de)(de)(de)垂直电(dian)(dian)场的(de)(de)(de)不分歧，能(neng)够(gou)证明此时MOS管的(de)(de)(de)栅(zha)(zha)+源(yuan)间电(dian)(dian)容(rong)除(chu)了(le)过覆盖电(dian)(dian)容(rong)之外的(de)(de)(de)电(dian)(dian)容(rong)值可表(biao)示(shi)为(wei)(2/3)N1Cox。因而

CGS=2WLCox/3+WCol (1.3)

(3)深线性区

在(zai)此(ci)工作区，漏极(ji)D与(yu)源(yuan)(yuan)极(ji)s的(de)(de)电(dian)位简直相同(tong)，栅(zha)电(dian)压变化AV时，惹起等量的(de)(de)电(dian)荷从源(yuan)(yuan)极(ji)流向漏极(ji)，所(suo)以栅(zha)氧(yang)电(dian)容(rong)(rong)(rong)（栅(zha)与(yu)沟(gou)道间的(de)(de)电(dian)容(rong)(rong)(rong)）WLCox、F均(jun)分为栅(zha)／源(yuan)(yuan)端之(zhi)间与(yu)栅(zha)／漏端之(zhi)间的(de)(de)电(dian)容(rong)(rong)(rong)，此(ci)时栅(zha)／源(yuan)(yuan)电(dian)容(rong)(rong)(rong)与(yu)栅(zha)／漏电(dian)容(rong)(rong)(rong)可表示为

CGD=CGS=WLCox/2+WCol

当工作(zuo)在线性区(qu)与饱和区(qu)时，栅与衬(chen)(chen)底(di)(di)间的电(dian)(dian)(dian)容常被疏(shu)忽，这是由于反型层在栅与衬(chen)(chen)底(di)(di)间起着屏(ping)蔽作(zuo)用，也就(jiu)是说假如栅压发(fa)作(zuo)了改动，导电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)荷(he)的提供主要由源极(ji)提供而流向(xiang)漏(lou)极(ji)，而不(bu)是由衬(chen)(chen)底(di)(di)提供导电(dian)(dian)(dian)荷(he)。

CGD与CGS在不同工作区域的值如图1.7所示，留意在不同的区域之间的转变不能简单计算得到，只是依据趋向停止延伸而得。
mos管