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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 

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MOS管的高频小信号电容

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:
mos管

(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:

Cj=Cjo/[1+VRB]m


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

2.MOS管的极间电容及其随栅/源电压的变化关系

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

CGD=CGS=WLCox/2+WCol


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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