mos电容(附件附件已更新，不好意思，对文章最后一个曲线的假设基本不成立）

L_ju · 发表于 2012-10-27 14:46:45

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本帖最后由 L_ju 于 2012-10-29 21:16 编辑

2012-10-29晚：附件已经update。增加了simulation的截图。增加了一些内容，小改了排版。
2012-10-29日：各位网友不好意思，附件暂时删除，看到论坛里网友们讨论mos cap，一时兴起，前天匆忙之中写的文章，未经验证就发上来了。今天不放心建模仿真了一下，对于其他曲线的分析假设基本ok，但是我文章的最后一段关于拆分成两个小电容会使谷值大幅升高的假设基本不成立。我的设想太理想了。对已经下载了附件的网友说抱歉，现在公司电脑机箱被锁，没法截图，晚上回家我会附上仿真结果截图更新附件。）

mos电容.pdf (524.99 KB, 下载次数: 1725 )

上图是模拟版图艺术中第六章关于mos cap讲义的一个截图，显示了mos电容在三种工作状态（积累，耗尽，反型）下的容值曲线。曲线有两条：近似“v”字形和近似“z“字形。mos电容应该一端接poly,另一端接source-drain-pickup这3点，那么就保险了,这样就得到如图中所示的"v"型曲线,如不接source-drain，只接pickup,就是如图所示的"Z"型曲线.如只接s-d，不接pickup，就应该是”v“字形的谷值右半部分，左半部分（积累区）电容很小（这种曲线上图中未显示）。
下面一段是书中摘录：mos电容显出较强的电压控制特性，图显示的是nmos作为电容容值曲线图，当gate相对于衬底为负电压的时候，多子被吸引到上面（氧化层下）形成积累层，在积累区工作状态下的nmos电容容值只有氧化层电介质决定，,(注：其实就是由两极板间的电解质面积和电学性质决定的，这就是本征电容C本)
当gate相对于衬底正电压时，多子被排斥开表面，耗尽层形成了，随着电压差的加大，耗尽区越宽，容值也降低，一直到电压差等于阈值电压时，少子会被吸引到表面形成反型层，随着电压差的进一步增大，仅仅增加的是少子的浓度，而不会增加耗尽层的宽度，容值等于C本的20％左右。
以上分析仅仅是s和d diffusion 不存在或者没被连接到衬底的情况，如果s和d 存在并且连到衬底，那么这个mos电容就有点复杂了，一旦强反型形成，一个导电通道short了s和d，这个通道变成了电容的下极板，容值又升到和C本
一样大了。

下面部分都是个人总结：

（如有错误请不吝指正，联系：44723871@qq.com）。

Mos电容一般应该设计让他工作在远离阈值电压中心以外，如果device工作在积累区，没必要接s和d diffusion，下极板只接pickup 即可。如果device工作在反型区，想达到满电容就必须把s，d和衬底连一起，,这样就得到如图中所示的"v"型曲线,如不接source-drain,就是如图所示的"Z"型曲线.不管mos cap是nmos（在pwell中），pmos（在nwell中），或者一种特殊device:nmos在nwell中，我们只要考虑到它的上极板是poly，下极板是pwell或者nwell就行了，然后根据schematic中工作电压判断它将工作在什么区域，再考虑它的接法。

以nmos在pwell里为例分析：当gate为负电压的时候（积累区），pwell里感应出多子在氧化层下面，只需要用pickup p-difusion就可以引出下极板，s和d diffusion 没必要连接容值即可达满电容。此时下极板是感应的多子。（右图）

同样gate是负电压（积累区），下极板只连连s 和 d ，没连pickup，下极板多子引不出，电容如图所示，总容值仅仅poly和source与drain两小点的寄生电容。非常小。（下图）

如果gate是正电压（耗尽或者反型），在本征电容下面形成了pn结电容，并且poly和pwll的电位差没达到阈值电压的情况下pwll表面将不会产生电子。只有在大于阈值电压的时候才产生如图所示的电容，寄生的pn结电容和本来的电容串联，如果下极板只连了pickup，那么相当于下极板引出的是多子，衬底表面感应的少子引不出，总电容相当于两个电容串联，总电容变小。计算公式：

1/C总＝1/C本+1/Cpn结

其中C本是个定值，他不随电压的变化发生改变，只与oxid和其面积有关，Cpn结是个变量，随电压的变化发生改变。由于寄生电容的产生，C总< C本，

如果下极板连了s ，d，pickup那么，一旦强反型形成，自由电子通过n diffusion形成欧姆接触引出来接到衬底，一个导电通道short了s和d，，这个通道变成了电容的下极板，容值又升到和C本
一样大了。强反型下C总能达到满电容。（如右图）

所以，假如schematic中的mos cap 即要工作在积累区，又要工作在反型区，那mos cap 最理想的容值曲线是“v”字形的，即：它不适合做电容，因为最理想接法状态下它也不是平坦的，有谷值。但是cmos 工艺中，有时候为了成本考虑，mos cap 又是唯一选择。有一种接法可以让有这种需求的cap谷值平坦一些，就是把mos cap 拆分成两个1/2的mos cap，这两个小mos cap 并联，总容值还是一样，但是并联的时候头并尾，尾并头，就是 gate接另一个cap的s，d，pickup。一个小cap 工作在积累区另一个在反型区，这样y轴左右出现了两个谷值，但是会平坦一些。理论分析如下图所示，正如模拟版图艺术中所述，谷值容值是满电容的20%，第一图假设10：2，那么1/2的电容就是5：1，头尾并联的效果就是最下面的曲线.

selfsalvation04 · 发表于 2012-10-29 00:30:10

楼主好人啊，菜鸟学习中

djbobo · 发表于 2012-10-29 09:11:12

回复 1# L_ju

谢谢分享。

liiru · 发表于 2012-10-29 15:34:53

总结的非常好，很轻松就可以理解了，如果能有一些NCAP电容的描述就更精彩了！

L_ju · 发表于 2012-10-29 16:44:36

总结的非常好，很轻松就可以理解了，如果能有一些NCAP电容的描述就更精彩了！
liiru 发表于 2012-10-29 15:34

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还要NCAP吗？你说的ncap是不是下面这第三种device？
“不管mos cap是nmos（在pwell中），pmos（在nwell中），或者一种特殊device:nmos在nwell中，我们只要考虑到它的上极板是poly，下极板是pwell或者nwell就行了，然后根据schematic中工作电压判断它将工作在什么区域，再考虑它的接法。”

ncap只有在积累区工作才行，如果接成反型区工作，没有P-diffusion引出感应的少子，我刚仿真结果显示只有C本的2%。