MOS电容,最全面MOS管的高频小信号电容文章
信息来源：本站 日期：2017-09-18
从MOS管的几何构造及工作原理能够发现，MOS管存在着多种电容，这会影响MOS管的高频性能。
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：
(1)栅与沟道之间的栅氧电容C2=WLCox，其中Cox为单位面积栅氧电容ε0x/tox。
(2)沟道耗尽层电容C3=W）：其
中q为电子电荷，εsi硅的介电常数，Nsub为衬底浓度，φF为费米能级。
(3)交叠电容（多晶栅掩盖源／漏区所构成的电容），每单位宽度的交堯电容记为Col，由于是环状的电场线，Col不能简单计算得到，且它的值与衬底偏置有关。交叠电容主要有栅/源交叠电容Cl= WCol与栅／漏交叠电容C4= WCol。
(4)源／漏区与衬底间的结电容：Cbd, Cbs，即为漏极、源极与衬底之间构成的PN结势垒电容，这种电容普通由两局部组成：一局部是垂直方向（即源／漏区的底部与衬底间）的底层电容，以单位面积PN结电容Cj权衡；另—局部是源／漏区的周围与衬底间构成的横向圆周电容，以单位长度结电容Cjs来衡最。单位面积PN结的势垒电容Cj可表示为:
式(1.1)中Cjo为PN在零偏电压时单位底面积结电容（与衬底浓度有关），VR是加于PN结的反偏电压，φB是漏／源区与衬底问的PN结接触势垒差（普通取0.8V），而m是底面电容的梯度因子，普通取介于0.3～0.4间的值。
因而，MOS管源／漏区与衬底间总的结电容可表示为：
CBD.BS=WHCj+2（W+H）Cjs
式(1.2)中H是指源、漏区的长度，W是MOS管的宽度。
由式(1.2)可发现：不同MOS管的源/漏区的几何外形，即不同的源／漏区面积和圆周尺寸值，存在着不同的结电容。在总的宽长比相同的状况下，采用并联合构，即MOS管的H不变，而每一个MOS管的宽为原来的几分之一，则MOS管的源／漏区与衬底间总的结电容比原构造小。
例1.2 分别求出以下三种条件下MOS管源／漏区与衬底间总的结电容(假定任何，个MOS管的源／漏区的长度都为H)：
①(W/L)=100的一个MOS管；
②(W/L）1，2=50两个MOS管并联；
③(WIL)1～5=20的5个MOS管并联。
解：为了计算便当，假定一切MOS管的沟道长度L=0.5μm，H=lμm则有
①CBD,BS:WHCj+2(W+H)Cjs=200Cj+402Cjs
所以总的源／漏区与衬底问的结电容为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／漏区与衬底间的结电容为
Cbdl,2+Cbd3, 4+Cbsl+Cbs2, 3+Cbs4,5+Cbd5=240Cj+492Cjs
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／源之间没有构成沟道，此时固然不存在反型层，但可能产生了耗尽层，则有栅／源之间、栅／漏之间的电容为：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的值分别是源极、漏极与衬底间电压的函数，能够由式(1.2)求解出。
(2)饱和区
在此工作区，MOS管的沟道在漏端曾经发作夹断，所以栅／漏电容CGD大约为WCol;同时MOS管的有效沟道长度缩短，栅与沟道间的电位差从源区的VGS降落到夹断点的VGS-Vth导致了在栅氧下的沟道内的垂直电场的不分歧，能够证明此时MOS管的栅+源间电容除了过覆盖电容之外的电容值可表示为(2/3)N1Cox。因而
CGS=2WLCox/3+WCol (1.3)
(3)深线性区
在此工作区，漏极D与源极s的电位简直相同，栅电压变化AV时，惹起等量的电荷从 源极流向漏极，所以栅氧电容（栅与沟道间的电容）WLCox、F均分为栅／源端之间与栅／漏端之间的电容，此时栅／源电容与栅／漏电容可表示为
当工作在线性区与饱和区时，栅与衬底间的电容常被疏忽，这是由于反型层在栅与衬底间起着屏蔽作用，也就是说假如栅压发作了改动，导电电荷的提供主要由源极提供而流向漏极，而不是由衬底提供导电荷。
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。
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