KA_IX

  • 2641 主题
  • 2690 帖子
  • 6776 积分
  • 身份:LV6 初级工程师
  • 论坛新秀 灌水之王 突出贡献
  • E币:1940

MOS电容有哪些优势和缺点?

2021-4-12 10:55:57 显示全部楼层
本帖最后由 KA_IX 于 2021-4-12 11:49 编辑

模拟IC电路设计中,会经常用到电容。芯片内部的电容一般使用金属当作上下基板,但是这种金属电容缺点是消耗面积太大。为了作为替代,在一些对电容要求不是很高的电路中,有人就想到了MOS管。
确实,MOS管作为电容,相比使用金属电容来讲,同样容值要求下,可以节省不少面积。
这是为什么?MOS电容有哪些优势和缺点?
这是本篇文章想要回答的内容。
MOS管电容的原理
MOS管形成电容的主要原理,就是利用gate与沟道之间的栅氧作为绝缘介质,gate作为上极板,源漏和衬底三端短接一起组成下极板。
以下图的NMOS管为例。
0357c0619fcb4ed9b015ed02687ddf3e.jpg
Figure 1. NMOS的剖面图

它的源漏和沉底连到一起到地,gate上有一个电压源。
当gate的电源大到一定程度,超过阈值电压VTH,会引起源漏之间出现反型层,即沟道形成,这样栅氧就充当了gate与沟道之间的绝缘介质,一个电容就形成了。这个电容的单位面积大小,与栅氧的厚度和介电常数有关。
如果gate电压是个比地还低的电压,这个时候源漏之间的N型沟道不能形成,但是却会使P型衬底的空穴在栅氧下方累积。如此一来,gate与衬底之间仍然会形成电容,此时的绝缘介质仍是栅氧,所以此时与形成沟道时的电容大小几无二致。
如果gate电压处在一个不尴不尬的位置,既不能使源漏之间形成沟道,也不能使P型衬底的空穴在上方积累。此时可以认为,栅氧下方会形成一个空间电荷区,这个空间电荷区是电子与空穴结合后形成的区域,所以它不带电,是一个“绝缘体”。由此,你应该清楚了,这个“绝缘体”会与栅氧这个绝缘体相叠加,导致等效的绝缘介质厚度增加,所以电容值随之下降。
下方的曲线可以说明上面介绍的情况。
d4697b6d306a4e979fd4f3e595b3d500.jpg
Figure 2. 电容与栅压的变化曲线

为什么会省面积
上面的介绍,我们知道,当沟道或者积累区形成,栅氧是MOS电容真正的绝缘介质。栅氧的厚度和介电常数对电容的大小起决定性作用。
通常来说,除非是低介电常数(low-k)工艺,一般的工艺,金属电容之间的绝缘介质的介电常数和栅氧的介电常数,相差无几。
以一个工艺资料来看,一个是3.9,一个是4.2。差别较小。
而如果比较两种绝缘介质的厚度,那就会差很多。一般来讲,栅氧厚度会偏小(尤其是低压MOS),比金属电容之间的绝缘介质的厚度可以小很多。
同样拿我手头的工艺资料来参考,5V MOS栅氧厚度13nm,1.8V MOS栅氧厚度4nm,而金属电容,单位面积1fF的绝缘层厚度为64nm,单位面积1.7fF的绝缘层厚度会小一些,但是也要37nm。所以就厚度来讲,后者比前者最少也要大3倍左右。
这就是MOS管做电容会节省面积的原因。

MOS电容优势与缺点
其实上面的一节,就已经说出了MOS电容的优势在哪里了。
MOS电容主要的优势就是节省面积、方便,因为它本身就是MOS管,与身边电路中的其他MOS管同为兄弟姐妹,想用的话,随手就可以扔进电路。
缺点也是很显而易见,就是MOS电容其实是个“压控电容”,当上下两个极板的压差发生变化,容值也会跟着改变,这在要求高精度的电路中,几乎是致命的。微弱信号采集的前端模拟电路中,它压根不敢露面。
但是在一些要求不是很严格的电路中,例如给数字信号的延时模块等,MOS电容可以充当电容的完美替身。随手就是一个电容,隐藏在许多MOS管的队伍中,神不知鬼不觉。
另外一个不容易想到的缺点是,MOS电容的耐压特性很差。这是因为它的绝缘介质使用了栅氧,栅氧较薄。5V MOS电容,能承受的电压在5V附近,1.8V MOS电容,能承受的电压在1.8V附近。而金属电容,有的却可以承受几十伏的高压。这也是电路设计中,为什么尽量避免电源与地之间使用MOS电容去耦的原因所在。

INSIGHT
总结一下,MOS电容的优点:
1,单位容值较大,可以省面积。
2,使用方便。
缺点:
1,其实是个MOS变容器,容值会随电压而变。
2,耐压差。
你看,MOS电容,不是一个多么伟大的发现,它有优势,缺点也不少,不过是你在电路设计中多了一个特殊的选择而已。
除了知道MOS电容的优缺点,对MOS电容形成机制的了解和理解,会让我们设计电路时更加游刃有余。
您需要登录后才可以评论 登录 | 立即注册

最新评论

楼层直达:
快速回复
0
0
广告
关闭 热点推荐上一条 /4 下一条
快速回复 返回列表