知識點14：

MOSFET的電容主要來源于其物理結構：

1. 柵氧層電容：柵極（G）與襯底（B）、溝道、源（S）、漏（D）之間隔著二氧化硅絕緣層，自然形成電容。
2. 耗盡層電容：在半導體內部，耗盡區（缺少自由載流子的區域）也像一個電容器的介質。
3. ?overlap電容：柵極與源/漏區有部分重疊，形成固定的覆蓋電容。

這些電容不是固定的，其大小和連接方式強烈依賴于柵極電壓（V_GS），因為它決定了硅表面是積累、耗盡還是反型。

Case I: 積累區 (Accumulation)

• 偏置條件： ?< 0?（柵極加負電壓）
• 物理狀態：柵極的負電壓排斥P型襯底中的電子，同時吸引大量的帶正電的空穴到柵氧層下方的表面區域。這些空穴密集地堆積起來，形成所謂的“積累層”。
• 電容構成（見下圖一）：
  • ?(柵-襯底電容)：這是最主要的電容。積累層的空穴形成了一個優秀的導體下極板，與柵極（上極板）之間的電容完全由柵氧層決定，其單位面積電容達到最大值 。

其中：

：柵氧層（二氧化硅SiO?）的介電常數

：柵氧層的厚度

由本式可知：電容值與介電常數成正比，與介質厚度成反比。

總電容值為:

: 繪制溝道長度。是芯片設計版圖上畫的柵極多晶硅的長度

: ?橫向擴散長度。在制造過程中，源和漏區的摻雜原子會橫向擴散，稍微延伸到柵極下方，導致實際的溝道長度比繪制的要短

?有效溝道長度 。它是柵極真正覆蓋在溝道區域上的長度，是計算本征柵電容的有效長度

：繪制溝道寬度。是版圖上畫的柵極的寬度

：?比例因子平方。在電路仿真中，為了方便，經常使用單位尺寸的模型。scale?是一個縮放因子，表示當前器件的尺寸是單位器件的多少倍。因為面積是二維的，所以電容（與面積成正比）需要乘以?scale?的平方

由本式可知：在積累區，整個溝道區域（面積 = ?* ）都形成了平板電容結構。因此，總電容? 就等于單位面積電容? ?乘以有效柵面積?( ?* )，再乘以尺寸縮放因子? 。

• • ?和 ?(覆蓋電容)：這是柵極與源/漏擴散區重疊部分形成的固定電容， 。它們始終存在，與偏壓無關。

其中： ， ?是柵-源和柵-漏覆蓋電容。它們的大小通常相等。

由本式可知：由于制造過程中的橫向擴散，柵極不可避免地會與源區和漏區有一小部分重疊。這個重疊區域也形成了一個平板電容器（柵極是上極板，重摻雜的源/漏區是下極板）。因此，每個覆蓋電容的大小等于 ?乘以重疊面積?( )。這是一個寄生電容，對電路的高速性能（如速度、延時）有重要影響

• 關鍵問題 - 寄生電阻：雖然 的電容值很大，但這個電容的“下極板”（積累層）是通過電阻率很高的襯底連接到電路的地電位的。下圖一中標注的“Resistance to the substrate connection”就是這個巨大的寄生電阻（Rs）。這個電阻會嚴重惡化電容的高頻性能，使其充放電速度變慢。
• 結論：在積累區，電容大但質量差，是?“壞電容”?（對應下圖一左側“Bad cap area”）。

圖一 MOSFET工作在累積模式下的橫截面圖

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Case II: 耗盡區 (Depletion/Weak Inversion)

• 偏置條件：0 < ?<? ?（柵極加正電壓，但不足以形成強反型）
• 物理狀態：柵極的正電壓開始排斥P型襯底中的空穴，在表面下方留下一個由不可移動的帶負電的受主離子組成的區域，這個區域缺乏自由載流子，稱為?“耗盡層”?。此時表面沒有形成導電溝道。
• 電容構成（見下圖二）：
  • 此時的柵極到襯底的路徑不再是簡單的柵氧電容。可以將其建模為兩個電容的串聯：
    1. 柵氧電容 ( )
    2. 耗盡層電容 ( )
  • 隨著 增大，耗盡層變寬（相當于電容器極板距離增加）， 減小，導致總電容 進一步減小。這就是圖三中間那段下降曲線的原因。
  • ?和 ：仍然是固定的覆蓋電容。
• 結論：在耗盡區（弱反型區），總柵電容下降，其值由耗盡層寬度調制。

圖二 耗盡型MOSFET的截面圖

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Case III: 強反型區 (Strong Inversion)

• 偏置條件： >> ?（柵極加足夠大的正電壓）
• 物理狀態：柵極的強正電場吸引了大量電子到表面，形成一個濃厚的n型反型層（溝道），將源和漏連接起來。這個電子層就像一個高導電的金屬板。
• 電容構成：
  • ?(柵-襯底電容)：此時，高導電的反型層屏蔽了襯底，成為了電容新的“下極板”。這個下極板通過低電阻的源/漏區連接到外部電路。因此，電容值再次達到最大值? ，并且其串聯電阻極小。
  • ?和 ：仍然是固定的覆蓋電容。
• 結論：在強反型區，電容值大且串聯電阻小，是?“好電容”?（對應下圖三右側“Good cap area”）。集成電路中常用工作在強反型區的MOSFET（將源、漏、體端子短路）來制作精確的電容。

圖三 柵電容隨直流柵源電壓的變化

總結

歸一化柵電容隨 變化的整體趨勢：從高（積累） -> 下降（耗盡） -> 再回到高（強反型）。當你需要一個大電容時，應優先選擇讓MOSFET工作在強反型區，以獲得最佳性能。如果必須在積累區使用（在某些特殊工藝或電路中），必須意識到巨大的寄生電阻問題，并在器件周圍放置大量襯底接觸（Contacts）?來盡可能降低這個電阻。