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電容,什么是電容,它的作用是什么,詳解!-MOS管

信息來源:本站 日期:2017-11-29 

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電容

MOS模擬集成電路中,電容也是一種不可或缺的元件,由于其易于與MOS器件相匹配,制造較易,且工藝制造的匹配精度比電阻好,所以得到了較廣泛的應(yīng)用。在CMOS電路中,人多數(shù)電容都用Si02作為介質(zhì),但也有某些工藝中采用Si02/Si3N4夾層介質(zhì),利用Si3N4較高的介電常數(shù)特性來制作較大值的電容。另外由于沉積氧化層厚度有較大的偏差,因此沉積氧化物通常不適用于制作精密電容器。

在理想情況下,電容值可用式(1.62)進(jìn)行計(jì)算

電容

式(1.62)中,W、L別為電容上下極板的寬、長(zhǎng),ε0x為介質(zhì)層的介電常數(shù),tox為介質(zhì)層的厚度。電容的標(biāo)準(zhǔn)偏差為


通常選擇W、L(提高電容的Q值),則式(1.63)中后兩項(xiàng)的誤差取決于光刻誤差,通常稱之為邊緣誤差;而式(1.63)中前兩項(xiàng)的誤差為氧化層效應(yīng)誤差。在小電容時(shí),起主導(dǎo)作用的是邊緣效應(yīng)誤差,而人電容時(shí)主要取決于氧化層誤差。

電容器的比例精度主要取決于它們的面積比(特別是小電容)。下面介紹幾種主要的電容結(jié)構(gòu)。

1.PN結(jié)電容

直接利用PN結(jié)構(gòu)成的電容,這類電容具有大的電壓系數(shù)和非線性,除了用做濾波電容或變?nèi)莨芡獠⒉怀S谩?/span>

2.MOS電容

只適用于NMOS與CMOS金屬柵工藝,如圖1.25所示。

這類電容的溫度系數(shù)為25xl0-6/℃,電容誤差為土15%,電壓系數(shù)為25x10-6/v.這是一種與電壓相關(guān)性很大的電容。

3.多晶與體硅之間的電容

由NMOS或CMOS多晶硅柵(金屬柵)工藝實(shí)現(xiàn),需要額外增加一次離子注入形成底板的N+重?fù)诫s區(qū),以多晶硅為上極板,二氧化硅為介質(zhì),N+為下極板構(gòu)成電容,如圖1.26所示。

電容電容

由于其襯底必須接一個(gè)固定電位以保證N+和P-S襯底構(gòu)成的PN結(jié)反偏,此時(shí)多晶與體硅間的電容可認(rèn)為是一個(gè)無極性的電容,但存在底板PN結(jié)寄生電容(15%一30%)。

這類電容的電壓系數(shù)為-10x10-6/V溫度系數(shù)為20~50xlO-6/℃,誤差為±15%。

另外,這類電容可以通過多晶條的激光修正來調(diào)節(jié)電容值。

4.多晶與場(chǎng)注入?yún)^(qū)間的電容

只能在帶場(chǎng)注入的NMOS與CMOS硅柵工藝中采用,由于該電容的介質(zhì)為厚的場(chǎng)氧化層,所以單位面積的電容較小。

在應(yīng)用這類電容時(shí),電容的底板必須與襯底相連。

5.金屬與多晶電容

通過NMOS與CMOS硅柵下藝實(shí)現(xiàn),在蒸鋁之前用光刻的方法刻去多晶硅上的厚氧化層,然后在制作柵氧化層時(shí)在多晶硅上熱生長(zhǎng)—氧化層,最后蒸鋁,從而得到了鋁氧化層-多晶硅電容,如圖1.27所示,這種電容通常位于場(chǎng)區(qū)。

這種電容可以對(duì)多晶條進(jìn)行修正以獲得較精確的電容值。

因?yàn)橛捎诮橘|(zhì)變化與張弛使得在Q-V中的滯后,所以CVD氧化層不適用于作為電容介質(zhì)。

在多晶硅與襯底之間存在寄生電容,由于其介質(zhì)為厚的場(chǎng)氧化層,因此該寄生電容很小,通常為所需電容的十分之一:而從可靠性考慮,其金屬層必須人于介質(zhì)氧化層,所以金屬層與襯底間存在寄生電容,但其值則更小,只為所需電容的1%左右。

此類電容的電壓系數(shù)為100x10-6/V,溫度系數(shù)為:100*10-6/℃。

當(dāng)然也可以用多晶硅作為電容的上極板,而金屬作為其下極板,介質(zhì)為氧化層構(gòu)成電容。

6.雙多晶電容(PIP電容)

NMOS與CMOS雙多品工藝實(shí)現(xiàn),其上下極板都為多品,介質(zhì)為薄氧化層,如圖1.28所示。介質(zhì)氧化層一般與柵氧同時(shí)形成。

電容電容

這類電容的電壓系數(shù)為100*10-6/v溫度系數(shù)為100*10-6/℃。

多晶2的面積可以小于薄氧化層面積,從而只有較小的寄生電容(厚氧電容),由于雙層多晶硅電容具有性能穩(wěn)定、寄生電容小等優(yōu)點(diǎn),因此在MOS集成電路中有廣泛的應(yīng)用。

7.用MOS器件作電容

由于MOS管中存在著明顯的電容結(jié)構(gòu),因此可以用MOS器件制作成一個(gè)電容使用。如果一個(gè)NMOS管的源、漏、襯底都接地而柵電壓接正電壓,當(dāng)VG上升并達(dá)到Vth時(shí)在多晶硅下的襯底表面將開始出現(xiàn)一反型層。在這種條件下NMOS可看成一個(gè)二端器件,并且不同的

柵壓會(huì)產(chǎn)生厚度不一樣的反型層,從而有不同的電容值。

(1)耗盡型區(qū):柵壓為一很負(fù)的值,柵上的負(fù)電壓就會(huì)把襯底中的空穴吸引到氧化層表面,即構(gòu)成了積累區(qū),此時(shí),由于只有積累區(qū)出現(xiàn),而無反型層,且積累層的厚度很厚,因此積累層的電容可以忽略。故此時(shí)的NMOS管可以看成一個(gè)單位面積電容為Cox的電容,其中

間介質(zhì)則為柵氧。當(dāng)VGS上升時(shí),襯底表面的空穴濃度下降,積累層厚度減小,則積累層電容;

增大,該電容與柵氧電容相串聯(lián)后使總電容減小,直至VGs趨于0,積累層消失,當(dāng)VGS略大于o時(shí),在柵氧下產(chǎn)生了耗盡層,總電容最小。

(2)弱反型區(qū):VGS繼續(xù)上升,則在柵氧下面就產(chǎn)生耗盡層,并開始出現(xiàn)反型層,該器件進(jìn)入了弱反型區(qū),在這種模式下,其電容由Cox與Cb串聯(lián)而成,并隨VGS的增人,其電容量逐步增大。

(3)強(qiáng)反型區(qū):當(dāng)VGS超過Vth,其二氧化硅表面則保持為一溝道,且其單位電容又為Cox。圖1.29顯示了這些工作狀態(tài)。

電容


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