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电容,什么是电容,它的作用是什么,详解!-MOS管

信息来源:本站 日期:2017-11-29 

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电容

MOS模拟集成电路中,电容也是一种不可或缺的元件,由于其易于与MOS器件相匹配,制造较易,且工艺制造的匹配精度比电阻好,所以得到了较广泛的应用。在CMOS电路中,人多数电容都用Si02作为介质,但也有某些工艺中采用Si02/Si3N4夹层介质,利用Si3N4较高的介电常数特性来制作较大值的电容。另外由于沉积氧化层厚度有较大的偏差,因此沉积氧化物通常不适用于制作精密电容器。

在理想情况下,电容值可用式(1.62)进行计算

电容

式(1.62)中,W、L别为电容上下极板的宽、长,ε0x为介质层的介电常数,tox为介质层的厚度。电容的标准偏差为


通常选择W、L(提高电容的Q值),则式(1.63)中后两项的误差取决于光刻误差,通常称之为边缘误差;而式(1.63)中前两项的误差为氧化层效应误差。在小电容时,起主导作用的是边缘效应误差,而人电容时主要取决于氧化层误差。

电容器的比例精度主要取决于它们的面积比(特别是小电容)。下面介绍几种主要的电容结构。

1.PN结电容

直接利用PN结构成的电容,这类电容具有大的电压系数和非线性,除了用做滤波电容或变容管外并不常用。

2.MOS电容

只适用于NMOS与CMOS金属栅工艺,如图1.25所示。

这类电容的温度系数为25xl0-6/℃,电容误差为土15%,电压系数为25x10-6/v.这是一种与电压相关性很大的电容。

3.多晶与体硅之间的电容

由NMOS或CMOS多晶硅栅(金属栅)工艺实现,需要额外增加一次离子注入形成底板的N+重掺杂区,以多晶硅为上极板,二氧化硅为介质,N+为下极板构成电容,如图1.26所示。

电容电容

由于其衬底必须接一个固定电位以保证N+和P-S衬底构成的PN结反偏,此时多晶与体硅间的电容可认为是一个无极性的电容,但存在底板PN结寄生电容(15%一30%)。

这类电容的电压系数为-10x10-6/V温度系数为20~50xlO-6/℃,误差为±15%。

另外,这类电容可以通过多晶条的激光修正来调节电容值。

4.多晶与场注入区间的电容

只能在带场注入的NMOS与CMOS硅栅工艺中采用,由于该电容的介质为厚的场氧化层,所以单位面积的电容较小。

在应用这类电容时,电容的底板必须与衬底相连。

5.金属与多晶电容

通过NMOS与CMOS硅栅下艺实现,在蒸铝之前用光刻的方法刻去多晶硅上的厚氧化层,然后在制作栅氧化层时在多晶硅上热生长—氧化层,最后蒸铝,从而得到了铝氧化层-多晶硅电容,如图1.27所示,这种电容通常位于场区。

这种电容可以对多晶条进行修正以获得较精确的电容值。

因为由于介质变化与张弛使得在Q-V中的滞后,所以CVD氧化层不适用于作为电容介质。

在多晶硅与衬底之间存在寄生电容,由于其介质为厚的场氧化层,因此该寄生电容很小,通常为所需电容的十分之一:而从可靠性考虑,其金属层必须人于介质氧化层,所以金属层与衬底间存在寄生电容,但其值则更小,只为所需电容的1%左右。

此类电容的电压系数为100x10-6/V,温度系数为:100*10-6/℃。

当然也可以用多晶硅作为电容的上极板,而金属作为其下极板,介质为氧化层构成电容。

6.双多晶电容(PIP电容)

NMOS与CMOS双多品工艺实现,其上下极板都为多品,介质为薄氧化层,如图1.28所示。介质氧化层一般与栅氧同时形成。

电容电容

这类电容的电压系数为100*10-6/v温度系数为100*10-6/℃。

多晶2的面积可以小于薄氧化层面积,从而只有较小的寄生电容(厚氧电容),由于双层多晶硅电容具有性能稳定、寄生电容小等优点,因此在MOS集成电路中有广泛的应用。

7.用MOS器件作电容

由于MOS管中存在着明显的电容结构,因此可以用MOS器件制作成一个电容使用。如果一个NMOS管的源、漏、衬底都接地而栅电压接正电压,当VG上升并达到Vth时在多晶硅下的衬底表面将开始出现一反型层。在这种条件下NMOS可看成一个二端器件,并且不同的

栅压会产生厚度不一样的反型层,从而有不同的电容值。

(1)耗尽型区:栅压为一很负的值,栅上的负电压就会把衬底中的空穴吸引到氧化层表面,即构成了积累区,此时,由于只有积累区出现,而无反型层,且积累层的厚度很厚,因此积累层的电容可以忽略。故此时的NMOS管可以看成一个单位面积电容为Cox的电容,其中

间介质则为栅氧。当VGS上升时,衬底表面的空穴浓度下降,积累层厚度减小,则积累层电容;

增大,该电容与栅氧电容相串联后使总电容减小,直至VGs趋于0,积累层消失,当VGS略大于o时,在栅氧下产生了耗尽层,总电容最小。

(2)弱反型区:VGS继续上升,则在栅氧下面就产生耗尽层,并开始出现反型层,该器件进入了弱反型区,在这种模式下,其电容由Cox与Cb串联而成,并随VGS的增人,其电容量逐步增大。

(3)强反型区:当VGS超过Vth,其二氧化硅表面则保持为一沟道,且其单位电容又为Cox。图1.29显示了这些工作状态。

电容


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