集成電容類型及仿真方法

電容是常用的集成元件，本文對集成電容稍做總結(jié)，包括以下幾個部分。

• 集成電容類型
• 電容仿真方法
• 仿真實踐

一. 集成電容類型

對于CMOS工藝，集成電容一般有mim, mom和mos電容三類。mim和mom電容二端都是金屬，線性度較高，可用于OPA補償電容等，mos電容一般需要一端接地或電源，且線性度差，一般做大電容濾波使用。

• MIM電容（Metal-Insulator-Metal）

對于某些工藝，提供mim電容元件和模型，mim電容相當(dāng)于一個平行板電容，最頂層二層金屬間距較大，形成的電容容值很小，mim電容一般由最頂層二層金屬和中間特殊的金屬層構(gòu)成，mim電容結(jié)構(gòu)如下，CTM和Mt-1中間的介質(zhì)層比較薄，形成的電容密度較高，且在頂層，寄生較小，精度高。

圖1. MIM結(jié)構(gòu)

• MOM電容（Metal-Oxide-Metal）

MOM電容一般是金屬連線形成的插指電容，結(jié)構(gòu)如下，隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，金屬線可以靠的更近，同時會有很多金屬層可以用，因此這種結(jié)構(gòu)的電容密度在先進(jìn)工藝下會較大，使用更多。

圖2. MOM結(jié)構(gòu)

• MOS電容

MOS晶體管的柵電容可以實現(xiàn)較高的電容密度，但容值會隨著柵電壓的不同會變化，具有較大的非線性，柵壓的不同，晶體管可工作在積累區(qū)，耗盡區(qū)和反型區(qū)。反型區(qū)柵氧層下形成大量的反型少子，積累區(qū)則形成大量多子，在這二個區(qū)，MOS結(jié)構(gòu)類似于平行板電容，容值近似等于柵氧電容Cox，如圖所示，是MOS晶體管隨柵壓變化容值圖，為了得到較好的線性度，需MOS電容要工作在反型區(qū)，即Vgs>Vth。

圖3. MOS容值隨柵壓的變化

某些工藝下，為了避免反型，專門的MOS管構(gòu)成MOS電容，會將NMOS管放在n阱，即當(dāng)柵壓為0時候，MOS管已經(jīng)開啟了，閾值電壓Vth接近為0，當(dāng)Vgs>0時候電容值趨于穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)稱為 積累型MOS電容 ，常稱為 native MOS ，下圖是這種類型電容結(jié)構(gòu)。

圖4. 積累型MOS電容結(jié)構(gòu)

積累型MOS電容容值隨著柵壓變化而變化的典型曲線如下。

圖5. 積累型MOS容值

二. 電容仿真方法

電容大小 定義為電流的基波分量除以電容的電壓擺幅，并對角頻率進(jìn)行歸一化處理 ，對于電容C，二端電壓為V，流過電容的電流為I，那么:

I=sCV=jwCV

|C|=I/|wV|

為了簡化，取角頻率w=1，即f=1/2* **pi** *w=0.15915，得|C|=I，得到電容值等于1Hz得交流電流值。

三. 仿真實踐

一定的工藝下，有給定的電容元件和模型，直接利用這些模型進(jìn)行交流仿真得到容值，對于如自制的電容結(jié)構(gòu)，通常用電磁仿真工具，如EMX提取參數(shù)，獲得模型。得到模型便可以進(jìn)行仿真了，如圖所示，cadence環(huán)境下得仿真tb和設(shè)置，仿真了MIM電容和MOS電容。

圖6. ac設(shè)置

得到如下ac電流值，和器件的標(biāo)稱值一致，仿真結(jié)果和前面分析一致，MIM電容幾乎不隨電壓變化，而MOS電容（非積累型MOS電容）非線性很嚴(yán)重。

圖7. 電容仿真結(jié)果

對先進(jìn)工藝下電容進(jìn)行仿真，如圖8所示是mom和moscap電容的仿真結(jié)果，mom電容結(jié)果仿真是正確的，和器件的標(biāo)稱值一樣，ac電流82.2fA(電容82.2fF)，但是對于moscap，仿真的ac電流值高達(dá)21.664nA，顯然不正確，為何？

圖8. 電容仿真結(jié)果

實際上， 由于先進(jìn)工藝下的moscap有較大的漏電流，因此可以簡單的將moscap等效為電容和電阻并聯(lián)的模型 ，阻抗為R/(sRC+1)，提高頻率，sRC>>1，才能簡化成1/sC，因此仿真中提高ac頻率才能得到正確的結(jié)果，設(shè)置f=15.9GHz，得到仿真圖，同時對角頻率歸一化處理，得到和元件一致的標(biāo)稱值。該MOS電容是積累型MOS電容，曲線和理論分析一致。

圖9. 電容仿真結(jié)果