在MOS模擬集成電路中,電容也是一種不可或缺的元件,由於其易於與MOS器件相匹配,製造較易,且工藝製造的匹配精度比電阻好,所以得到了較廣泛的應用。在CMOS電路中,人多數電容都用Si02作為介質,但也有某些工藝中采用Si02/Si3N4夾層介質,利用Si3N4較高的介電常數特性來製作較大值的電容。另外由於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於製作精密電容器。
在理想情況下,電容值可用式(1.62)進行計算

式(1.62)中,W、L別為電容上下極板的寬、長,ε0x為介質層的介電常數,tox為介質層的厚度。電容的標準偏差為


通常選擇W、L(提高電容的Q值),則式(1.63)中後兩項的誤差取決於光刻誤差,通常稱之為邊緣誤差;而式(1.63)中前兩項的誤差為氧化層效應誤差。在小電容時,起主導作用的是邊緣效應誤差,而人電容時主要取決於氧化層誤差。
電容器的比例精度主要取決於它們的麵積比(特別是小電容)。下麵介紹幾種主要的電容結構。
1.PN結電容
直接利用PN結構成的電容,這類電容具有大的電壓係數和非線性,除了用做濾波電容或變容管外並不常用。
2.MOS電容
隻適用於NMOS與CMOS金屬柵工藝,如圖1.25所示。
這類電容的溫度係數為25xl0-6/℃,電容誤差為土15%,電壓係數為25x10-6/v.這是一種與電壓相關性很大的電容。
3.多晶與體矽之間的電容
由NMOS或CMOS多晶矽柵(金屬柵)工藝實現,需要額外增加一次離子注入形成底板的N+重摻雜區,以多晶矽為上極板,二氧化矽為介質,N+為下極板構成電容,如圖1.26所示。


由於其襯底必須接一個固定電位以保證N+和P-S襯底構成的PN結反偏,此時多晶與體矽間的電容可認為是一個無極性的電容,但存在底板PN結寄生電容(15%一30%)。
這類電容的電壓係數為-10x10-6/V溫度係數為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節電容值。
4.多晶與場注入區間的電容
隻能在帶場注入的NMOS與CMOS矽柵工藝中采用,由於該電容的介質為厚的場氧化層,所以單位麵積的電容較小。
在應用這類電容時,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矽柵下藝實現,在蒸鋁之前用光刻的方法刻去多晶矽上的厚氧化層,然後在製作柵氧化層時在多晶矽上熱生長—氧化層,最後蒸鋁,從而得到了鋁氧化層-多晶矽電容,如圖1.27所示,這種電容通常位於場區。
這種電容可以對多晶條進行修正以獲得較精確的電容值。
因為由於介質變化與張弛使得在Q-V中的滯後,所以CVD氧化層不適用於作為電容介質。
在多晶矽與襯底之間存在寄生電容,由於其介質為厚的場氧化層,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,其金屬層必須人於介質氧化層,所以金屬層與襯底間存在寄生電容,但其值則更小,隻為所需電容的1%左右。
此類電容的電壓係數為100x10-6/V,溫度係數為:100*10-6/℃。
當然也可以用多晶矽作為電容的上極板,而金屬作為其下極板,介質為氧化層構成電容。
6.雙多晶電容(PIP電容)
NMOS與CMOS雙多品工藝實現,其上下極板都為多品,介質為薄氧化層,如圖1.28所示。介質氧化層一般與柵氧同時形成。


這類電容的電壓係數為100*10-6/v溫度係數為100*10-6/℃。
多晶2的麵積可以小於薄氧化層麵積,從而隻有較小的寄生電容(厚氧電容),由於雙層多晶矽電容具有性能穩定、寄生電容小等優點,因此在MOS集成電路中有廣泛的應用。
7.用MOS器件作電容
由於MOS管中存在著明顯的電容結構,因此可以用MOS器件製作成一個電容使用。如果一個NMOS管的源、漏、襯底都接地而柵電壓接正電壓,當VG上升並達到Vth時在多晶矽下的襯底表麵將開始出現一反型層。在這種條件下NMOS可看成一個二端器件,並且不同的
柵壓會產生厚度不一樣的反型層,從而有不同的電容值。
(1)耗盡型區:柵壓為一很負的值,柵上的負電壓就會把襯底中的空穴吸引到氧化層表麵,即構成了積累區,此時,由於隻有積累區出現,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。故此時的NMOS管可以看成一個單位麵積電容為Cox的電容,其中
間介質則為柵氧。當VGS上升時,襯底表麵的空穴濃度下降,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後使總電容減小,直至VGs趨於0,積累層消失,當VGS略大於o時,在柵氧下產生了耗盡層,總電容最小。
(2)弱反型區:VGS繼續上升,則在柵氧下麵就產生耗盡層,並開始出現反型層,該器件進入了弱反型區,在這種模式下,其電容由Cox與Cb串聯而成,並隨VGS的增人,其電容量逐步增大。
(3)強反型區:當VGS超過Vth,其二氧化矽表麵則保持為一溝道,且其單位電容又為Cox。圖1.29顯示了這些工作狀態。

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