MOS管的高頻小信號電容

從MOS管的幾何構造及工作原理能夠發(fā)現，MOS管存在著多種電容，這會影響MOS管的高頻性能。

依據MOS管的幾何構造構成的各類電容如圖1.5所示，詳細為：

(1)柵與溝道之間的柵氧電容C2=WLCox，其中Cox為單位面積柵氧電容ε0x/tox。

(2)溝道耗盡層電容C3=W）：其中q為電子電荷，εsi硅的介電常數，Nsub為襯底濃度，φF為費米能級。

(3)交疊電容（多晶柵掩蓋源／漏區(qū)所構成的電容），每單位寬度的交堯電容記為Col，由于是環(huán)狀的電場線，Col不能簡單計算得到，且它的值與襯底偏置有關。交疊電容主要有柵/源交疊電容Cl= WCol與柵／漏交疊電容C4= WCol。

(4)源／漏區(qū)與襯底間的結電容：Cbd, Cbs，即為漏極、源極與襯底之間構成的PN結勢壘電容，這種電容普通由兩局部組成：一局部是垂直方向（即源／漏區(qū)的底部與襯底間）的底層電容，以單位面積PN結電容Cj權衡；另—局部是源／漏區(qū)的周圍與襯底間構成的橫向圓周電容，以單位長度結電容Cjs來衡最。單位面積PN結的勢壘電容Cj可表示為:

式(1.1)中Cjo為PN在零偏電壓時單位底面積結電容（與襯底濃度有關），VR是加于PN結的反偏電壓，φB是漏／源區(qū)與襯底問的PN結接觸勢壘差（普通取0.8V），而m是底面電容的梯度因子，普通取介于0.3～0.4間的值。

因而，MOS管源／漏區(qū)與襯底間總的結電容可表示為：

CBD.BS=WHCj+2（W+H）Cjs

式(1.2)中H是指源、漏區(qū)的長度，W是MOS管的寬度。

由式(1.2)可發(fā)現：不同MOS管的源/漏區(qū)的幾何外形，即不同的源／漏區(qū)面積和圓周尺寸值，存在著不同的結電容。在總的寬長比相同的狀況下，采用并聯(lián)合構，即MOS管的H不變，而每一個MOS管的寬為原來的幾分之一，則MOS管的源／漏區(qū)與襯底間總的結電容比原構造小。

例1.2 分別求出以下三種條件下MOS管源／漏區(qū)與襯底間總的結電容(假定任何，個MOS管的源／漏區(qū)的長度都為H)：

①(W/L)=100的一個MOS管；

②(W/L）1，2=50兩個MOS管并聯(lián)；

③(WIL)1～5=20的5個MOS管并聯(lián)。

解：為了計算便當，假定一切MOS管的溝道長度L=0.5μm，H=lμm則有

①CBD,BS:WHCj+2(W+H)Cjs=200Cj+402Cjs

所以總的源／漏區(qū)與襯底問的結電容為Cbd+Cbs=400Cj+804Cjs

②Cbdl, 2=Cbs1=Cbs2=100Cj+202Cjs

所以總的源／漏區(qū)與襯底間的結電容為Cbd1十Cbs1+Cbd2=300Cj+606Cjs

③Cbd1,2=Cbd3,4=Cbd5=Cbs1=Cbs2,3=Cbs4, 5=40Cj+82Cjs

所以總的源／漏區(qū)與襯底間的結電容為

Cbdl,2+Cbd3, 4+Cbsl+Cbs2, 3+Cbs4,5+Cbd5=240Cj+492Cjs

2．MOS管的極間電容及其隨柵／源電壓的變化關系

由于在模仿集成電路中，MOS管普通以四端器件出現，因而在實踐電路設計中主要思索MOS管每兩個端口之間存在的電容，如圖1.6所示，源／漏兩極之間的電容很小可疏忽不計，這些電容的值就是由前面剖析的各種電容組合而成，由丁在不同的工作區(qū)時MOS管的反型層厚度、耗盡層厚度等不同，則相應的電容也不相同，所以關于MOS管的極問電容能夠分為三個工作辨別別停止討論。

(1)截止區(qū)

漏／源之間沒有構成溝道，此時固然不存在反型層，但可能產生了耗盡層，則有柵／源之間、柵／漏之間的電容為：CGD=CGS= WCol；

柵極與襯底間的電容為：CGB=（WLCox)Cd/(WLCox+Cd)，即柵氧電容與耗盡層電容Cd的串聯(lián)，其中乙為溝道的有效長度，且

CSB與CDB的值分別是源極、漏極與襯底間電壓的函數，能夠由式(1.2)求解出。

(2)飽和區(qū)

在此工作區(qū)，MOS管的溝道在漏端曾經發(fā)作夾斷，所以柵／漏電容CGD大約為WCol;同時MOS管的有效溝道長度縮短，柵與溝道間的電位差從源區(qū)的VGS降落到夾斷點的VGS-Vth導致了在柵氧下的溝道內的垂直電場的不分歧，能夠證明此時MOS管的柵+源間電容除了過覆蓋電容之外的電容值可表示為(2/3)N1Cox。因而

CGS=2WLCox/3+WCol    (1.3)

(3)深線性區(qū)

在此工作區(qū)，漏極D與源極s的電位簡直相同，柵電壓變化AV時，惹起等量的電荷從 源極流向漏極，所以柵氧電容（柵與溝道間的電容）WLCox、F均分為柵／源端之間與柵／漏端之間的電容，此時柵／源電容與柵／漏電容可表示為

當工作在線性區(qū)與飽和區(qū)時，柵與襯底間的電容常被疏忽，這是由于反型層在柵與襯底間起著屏蔽作用，也就是說假如柵壓發(fā)作了改動，導電電荷的提供主要由源極提供而流向漏極，而不是由襯底提供導電荷。

CGD與CGS在不同工作區(qū)域的值如圖1.7所示，留意在不同的區(qū)域之間的轉變不能簡單計算得到，只是依據趨向停止延伸而得。

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