电容

在MOS模拟集成电路中，电容也是一种不可或缺的元件，由于其易于与MOS器件相匹配，制造较易，且工艺制造的匹配精度比电阻好，所以得到了较广泛的应用。在CMOS电路中，人多数电容都用Si02作为介质，但也有某些工艺中采用Si02/Si3N4夹层介质，利用Si3N4较高的介电常数特性来制作较大值的电容。另外由于沉积氧化层厚度有较大的偏差，因此沉积氧化物通常不适用于制作精密电容器。

在理想情况下，电容值(zhi)可用式(1.62)进(jin)行计算

式(1.62)中(zhong)，W、L别为电容上下极板(ban)的宽、长，ε0x为介质层的介电常数，tox为介质层的厚度。电容的标准偏差为

通(tong)(tong)常选(xuan)择W、L（提高电容的(de)(de)Q值），则(ze)式(1.63)中后(hou)两项(xiang)的(de)(de)误(wu)差取决于(yu)光(guang)刻(ke)误(wu)差，通(tong)(tong)常称之为(wei)边(bian)缘误(wu)差；而式(1.63)中前两项(xiang)的(de)(de)误(wu)差为(wei)氧化层效(xiao)(xiao)应误(wu)差。在小(xiao)电容时，起(qi)主导作用(yong)的(de)(de)是边(bian)缘效(xiao)(xiao)应误(wu)差，而人电容时主要取决于(yu)氧化层误(wu)差。

电容(rong)器的比例精度主要(yao)取决(jue)于它(ta)们的面(mian)(mian)积(ji)比（特别(bie)是小电容(rong)）。下(xia)面(mian)(mian)介绍几种(zhong)主要(yao)的电容(rong)结(jie)构。

1．PN结电容(rong)

直接利用PN结构(gou)成的电(dian)容，这类(lei)电(dian)容具(ju)有大(da)的电(dian)压系数和非(fei)线性，除(chu)了(le)用做(zuo)滤波(bo)电(dian)容或变容管外(wai)并(bing)不常用。

2．MOS电容

只适用于NMOS与CMOS金属栅工艺，如(ru)图1.25所(suo)示。

这类(lei)电容的温度系数为(wei)25xl0-6/℃，电容误差为(wei)土15%，电压系数为(wei)25x10^-6/v.这是一(yi)种与(yu)电压相关性很(hen)大的电容。

3.多(duo)晶与体(ti)硅(gui)之间的电容

由(you)NMOS或(huo)CMOS多(duo)晶硅(gui)栅（金属栅）工艺实现，需要额外增加一次(ci)离子注入形成底板的N+重(zhong)掺(chan)杂区，以多(duo)晶硅(gui)为(wei)上极(ji)板，二氧化硅(gui)为(wei)介质，N+为(wei)下极(ji)板构(gou)成电容，如图1.26所示(shi)。

由于其衬(chen)底必须接一(yi)(yi)个固定电位以(yi)保(bao)证N+和(he)P-S衬(chen)底构成的PN结反偏(pian)，此时多晶与体硅间的电容(rong)可认(ren)为是一(yi)(yi)个无极(ji)性(xing)的电容(rong)，但存在底板PN结寄生电容(rong)(15%一(yi)(yi)30%)。

这类(lei)电容的电压系数为-10x10-6/V温(wen)度系数为20～50xlO-6/℃，误差为±15%。

另外，这类电(dian)容可以通过多晶条的激光(guang)修正来调节电(dian)容值。

4.多晶与场注入(ru)区间(jian)的(de)电容

只(zhi)能在带(dai)场注入(ru)的(de)(de)NMOS与CMOS硅栅工(gong)艺中采用(yong)，由(you)于该电(dian)(dian)容(rong)的(de)(de)介质为厚的(de)(de)场氧化层，所以单位面积的(de)(de)电(dian)(dian)容(rong)较小。

在应用这类电容时(shi)，电容的(de)底(di)板(ban)必(bi)须与衬底(di)相连。

5．金属与多晶(jing)电(dian)容(rong)

通过NMOS与CMOS硅(gui)栅下艺实现，在蒸铝(lv)之(zhi)前(qian)用光(guang)刻(ke)的方法刻(ke)去(qu)多(duo)晶硅(gui)上(shang)(shang)的厚氧(yang)化层(ceng)(ceng)，然后在制作栅氧(yang)化层(ceng)(ceng)时在多(duo)晶硅(gui)上(shang)(shang)热生(sheng)长—氧(yang)化层(ceng)(ceng)，最(zui)后蒸铝(lv)，从(cong)而(er)得到了铝(lv)氧(yang)化层(ceng)(ceng)-多(duo)晶硅(gui)电容，如图1.27所示，这种电容通常位于场(chang)区(qu)。

这种电(dian)容(rong)可以对多晶条进(jin)行修正以获得较精确的电(dian)容(rong)值。

因为由于(yu)(yu)介质(zhi)变化(hua)与张(zhang)弛使得(de)在(zai)Q-V中的(de)滞后，所以(yi)CVD氧化(hua)层(ceng)不适用于(yu)(yu)作为电容介质(zhi)。

在多晶硅与衬(chen)底(di)之(zhi)间(jian)存在寄(ji)生(sheng)电(dian)容(rong)，由于其(qi)介(jie)质为厚的场(chang)氧化(hua)层，因此该寄(ji)生(sheng)电(dian)容(rong)很小，通常为所(suo)需电(dian)容(rong)的十分之(zhi)一(yi)：而从可靠性(xing)考(kao)虑，其(qi)金属层必须人于介(jie)质氧化(hua)层，所(suo)以金属层与衬(chen)底(di)间(jian)存在寄(ji)生(sheng)电(dian)容(rong)，但其(qi)值则更(geng)小，只为所(suo)需电(dian)容(rong)的1%左右。

此类电容的电压(ya)系(xi)数(shu)为(wei)100x10-6/V，温度系(xi)数(shu)为(wei)：100*10-6/℃。

当然也可以用多(duo)晶(jing)硅(gui)作为电(dian)容的上极板，而金属作为其下极板，介(jie)质为氧(yang)化层构成电(dian)容。

6．双多晶电容（PIP电容）

NMOS与CMOS双(shuang)多品(pin)工(gong)艺实现，其上下极板都为多品(pin)，介质(zhi)为薄氧(yang)化层，如图1.28所示。介质(zhi)氧(yang)化层一般与栅氧(yang)同时(shi)形成。

这(zhei)类电(dian)容的(de)电(dian)压系数(shu)为100*10^-6/v温度系数为(wei)100*10^-6/℃。

多晶2的(de)面积可以小于(yu)薄(bo)氧化(hua)层面积，从而(er)只有(you)较(jiao)小的(de)寄(ji)(ji)生电容（厚氧电容），由于(yu)双层多晶硅电容具有(you)性能稳定、寄(ji)(ji)生电容小等优点，因此在MOS集成电路中有(you)广泛(fan)的(de)应用。

7．用MOS器件作电容

由于MOS管中存在着明显的电容结构，因此可以用MOS器件制作成一个电容使用。如果一个NMOS管的源、漏、衬底都接地而栅电压接正电压，当VG上升并达到Vth时在多晶硅下的衬底表面将开始出现一反型层。在这种条件下NMOS可看成一个二端器件，并且不同的

栅压会产生厚度不一样的反型层，从(cong)而有不同的电容(rong)值。

(1)耗尽型区：栅压为一很负的值，栅上的负电压就会把衬底中的空穴吸引到氧化层表面，即构成了积累区，此时，由于只有积累区出现，而无反型层，且积累层的厚度很厚，因此积(ji)累层的电(dian)容可(ke)(ke)以忽略(lve)。故此时(shi)的NMOS管可(ke)(ke)以看成一个单位面积(ji)电(dian)容为Cox的电(dian)容，其中

间介(jie)质则(ze)为栅氧。当VGS上(shang)升时，衬底(di)表(biao)面的空穴浓度下降，积累(lei)层(ceng)厚(hou)度减(jian)小，则(ze)积累(lei)层(ceng)电容；

增大，该电容与栅氧电容相串联后使总电容减小，直至VGs趋于0，积累层消失，当V_GS略大于o时，在栅氧下产生了耗尽层，总电容最小。

(2)弱反型区：VGS继续上升，则在栅氧下面就产生耗尽层，并开始出现反型层，该器件进入了弱反型区，在这种模式下，其电容由Cox与Cb串联而成，并随VGS的增人，其电容量逐(zhu)步增大(da)。

(3)强反型区：当VGS超过Vth，其二氧化硅表面则保持为一沟道，且其单位电容又为Cox。图1.29显示了这些工作状态。

联系(xi)方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手(shou)机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区车公庙(miao)天(tian)安数码城天(tian)吉大(da)厦(sha)CD座(zuo)5C1

关注KIA半(ban)导(dao)(dao)体工(gong)程专辑请搜微(wei)信(xin)号:“KIA半(ban)导(dao)(dao)体”或点击本文下方(fang)图片扫(sao)一(yi)扫(sao)进入官方(fang)微(wei)信(xin)“关注”

长按二维(wei)码识别(bie)关注(zhu)