数字集成电路：MOS管器件章（二）

我们知道，RC参数是决定一个门电路的延时特性的主要因素，对于MOS管来讲，在开关模型下，电阻R基本上可以视作一个常量的导通电阻Ron，而对于电容值C，则需要建模分析不同工作区的具体值，本篇主要分析MOS管的电容值。
MOS管的电容主要来源于栅极对源漏和衬底的栅电容；也来源于源极和漏极的结电容，如下图所示。

栅电容

单位面积电容与宽长比的影响

栅极单位面积的电容与栅极的厚度成反比，栅极总电容与沟道的宽度和长度成正比，由于在工艺过程中，沟道的长度是固定的最小特征尺寸，因此在定制化设计时，影响栅电容的主要参数为沟道宽度W。

重叠电容

由于退火过程中源极和漏极高掺杂区向低掺杂区（衬底）的扩散，实际上有效的导电沟道要更短，源极，漏极和栅极之间存在重叠，这部分重叠产生的平行板会产生一部分寄生电容。

不同工作区的栅电容

截止区时，栅极电容主要来源于栅极的氧化层，并且由于源极和漏极还没形成导电沟道，所以如果忽略overlap的电容外，可以认为栅极对S和D都没有电容，栅极的电容全部对衬底bulk。随着Vgs慢慢增长，且小于VT前，耗尽层会不断变厚，由于电容值与介质厚度成反比，耗尽层电容不断减小，再加上耗尽层所形成的电容跟栅氧电容是串联关系，电容间的串联会使得总电容减小，这使得截止区时栅极电容随着Vgs增加而缓慢减小。
当Vgs增加>VT时，反型层形成，沟通了D和S，并且隔离了栅极和衬底，因此Cgb=0，栅氧电容转而跟S和D平摊，线性区时，D,S是对称的，所以栅极对S和D的电容平均分。
随着VDS增加，D极导电沟道变窄乃至夹断，进入饱和区，Cgd也逐渐减小直到0，而Cgs逐渐增加，最终上升到2/3Cg，总体来讲，在饱和区，栅极电容是在减小的。

上述过程可以由以下图片总结，左图是在Vds=0时增加Vgs，相当于从截止区一直到线性区，且由于Vds=0，源漏极是对称的，各分的一半的栅极电容；右图是Vds逐渐增大，趋于饱和状态，栅极总电容，源漏两级各自的电容的变化，源极电容不断增加直到2/3的总电容，漏极电容不断减少。

小结