【ICer必备基础】MOS电容——电容电压特性详解

1相关定义

  MOS电容是集成电路中非常重要的应用，器件电容的定义为：

   阈值反型点： 当达到最大耗尽宽度且反型层电荷密度为零时的情形。此时得到最小电容 $C_{min}^{\prime }$（下面将对该结果进行说明）

2MOS电容描述

  总的过程：
  当NMOS栅极加上一个很负的电压，衬底中空穴电荷被大量的吸引到氧化层界面，空穴堆积在氧化层表面，电容器的 “两极板” 被 $t_{ox}$ 分离，此时MOS电容可以看作单位面积电容为 $C_{ox}$ 的栅氧化层电容；随着 $V_{GS}$ 上升，界面空穴密度下降，在氧化层下开始形成耗尽层，器件进入若反型区，此时电容为 $C_{ox}$ 与 $C_{dep}$ 的串联。最后当$V_{GS}$超过 $V_{TH}$ 时，氧化层与衬底之间形成沟道，此时单位面积电容仍为 $C_{ox}$，特性如图1（b）

3MOS电容能带分析

  下面对MOS电容，进行更细致的讨论：
  MOS电容有三种工作状态：即堆积、耗尽和反型。以 $NMOS$ 为例，如下图所示，在金属端加负偏压后形成的能带图，在栅氧化层-半导体界面产生可空穴堆积层，一个小的 $dV$ 将导致金属栅极和空穴堆积电荷 $dQ$产生变化，如图10.23（b）所示，这种电荷密度的变化发生在栅氧化层的边缘，就像平板电容器一样。
  堆积模式时$MOS$ 电容器的单位面积电容 $C_{}^{\prime }$ 就是栅氧化层电容，即堆积模式下MOS主要表现为栅氧化层电容（栅电容）


  在栅极加正偏置电压，产生的能带图，如图下所示，从图中可以看出，栅极氧化层与P型半导体之间形成了耗尽区，此时栅氧化层与耗尽层电容等效成串联。栅极电压的微变dV将会导致空间电荷区宽度微分改变 $t_d$，以及电荷密度微分改变，如图10.24（b）所示
  耗尽模式时MOS电容器的单位面积电容 $C_{}^{\prime }$ 等效为栅氧化层电容与耗尽区电容的串联，总的电容随着耗尽区的增大而减小，即耗尽模式下MOS主要表现为栅氧化层电容（栅电容）串耗尽电容

  将$C_{ox}={\epsilon }_{ox}/t_{ox}$和$C_{SD}^{\prime }={\epsilon }_s/t_d$带入上式，可以化简为


  随着正偏置电压的增大，能带图越过阈值反型点，反型时的MOS器件能带图如下所示。在理想情况下，MOS电压的一个微分变化 $dV$ 将导致反型层电荷密度的微分变化。而空间电荷区宽度不变如图10.25（b）所示，若反型层电荷能跟得上电容电压的变化，则总的电容就是栅氧化层电容，即反型模式下MOS主要表现为栅氧化层电容


将三种模式进行汇总，图中虚线分别对对栅氧化层电容$C_{ox}$ 、扩散电容 $C_{SD}$和达到阈值反型点的最小扩散电容 $C_{min}^{\prime }$进行标识。

  随着 $V_{GS}$ 的上升，界面空穴密度下降，考虑$V_G=0$，此时在源漏两端的n型半导体与衬底之间也会形成耗尽区域，因此在强积累区域与$V_G=0$偏置电压之间，会存在总电容 $C$ 的下降趋势；
  再次考虑阈值反型点与强反型区域之间的区域，到达阈值反型点时，耗尽层电容达到最小，反型层电荷为0
  栅极偏置电压继续增大，理想情况耗尽层宽度几乎不变，此时栅极正电压开始从衬底中吸引少子电子，开始沟道的形成过程，反型层的电子密度开始上升，进入中等反型区，此过程电子电荷密度对电压微分量dV的响应越来越少，直到最后，沟道形成，耗尽层内电荷对dV不响应，MOS进入强反型状态，此时MOS电容等效为栅电容，电容器的上级板为栅极，下极板为沟道连通的源极和漏极，中间有氧化层隔开，因此在到达阈值反型点与强反型区域，电容存在上升趋势；（可以这样理解，但是实际器件状态，可能略有偏差）
  同理可以得到n型衬底 MOS的电压-电容特性

4可变电容实际应用

  在可变电容应用中，一般需要电容值随着控制电压单调变化，因此可以将 $NMOS$ 做在 $N-well$ 里面，这样，器件将不会有反型区域，电容电压特性为单调变化，如图2所示。